http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=ccecce64-27d5-4dcc-a69f-e02948429b46&print=1© 2024 Российская академия наук
Эйджи Отани Ученые из Института геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН вместе с профессором Эйджи Отани (Университет Тохоку, Япония) в рамках выигранного мега-гранта планируют прояснить фундаментальные вопросы строения Земли, а также получить наноалмазы.
«Наш проект посвящен исследованию вещества при высоких давлениях и температурах, — говорит старший научный сотрудник ИГМ СО РАН доктор геолого-минералогических наук Константин Дмитриевич Литасов. — У нас значительный опыт сотрудничества с японскими коллегами и конкретно с нашим гостем: более 15 лет мы занимались экспериментами с использованием многопуансонных аппаратов и алмазных наковален».
Первые представляют собой большие гидравлические прессы высотой 3,5 метра и весом 6 тонн. Именно такой прибор ученые намерены приобрести в рамках мега-гранта. «За первые два года мы планируем купить и установить эту технику у нас в институте. Здесь есть специальный экспериментальный зал, оборудованный еще в советские времена, там тоже стоят агрегаты высокого давления, но они в основном устаревшие и практически не используются», — отмечает Константин Литасов.
Надо отметить, что в ИГМ СО РАН есть 2 лаборатории, которые выращивают алмазы и работают при умеренных давлениях до 7,5 Гигапаскалей. С помощью же нового аппарата ученые смогут достигать величин в 30 Гигапаскалей. Если сравнить это с глубиной от поверхности земли, то первый показатель — порядка 200 километров, а второй — около 800 километров.
Основная задача исследователей — проводить эксперименты, способные ответить на фундаментальные вопросы о внутреннем строении Земли. Собственно, главная часть работ связана с этим. «В конечном итоге мы, пусть и не через три года, планируем представить общую картину строения мантии и ядра и основных процессов в них, с подробным термодинамическим описанием каждой фазы, каждого минерала, который можно видеть внутри нашей планеты, — комментирует Константин Литасов. — Понятно, это цель лет на десять». По словам ученого, если на поверхности Земли минералов свыше 4-х тысяч, а химических соединений еще больше, то внутри все они имеют тенденцию «растворяться» друг в друге, и на глубине свыше 200-300 километров их можно встретить не более 20-30 видов. В нижней мантии, которая находится на расстоянии 660-2900 километров и составляет примерно половину всей Земли, существуют всего три основных минерала, а несколько других находятся в подчиненном количестве.
Кстати, планеты Солнечной системы, в принципе, можно изучать по той же схеме. «Мы можем заглянуть внутрь них, так же как и внутрь Земли, только с помощью какого-то представления об их составе. На основе полученных астрофизических данных о нем мы можем провести эксперимент и посмотреть, какие минералы получились», — объясняет Константин Литасов.
Кроме того, исследования по мега-гранту направлены и на открытие новых высокобарических модификаций известных и малоизвестных минералов. Дело в том, что под воздействием высоких давлений происходят фазовые превращения веществ: изменяется структура, становясь более плотной. В качестве одной из первостепенных задач геологи ставят перед собой изучение карбонатных фаз. «Углерод внутри Земли по существующим представлениям находится в количестве около 0,01%. На первый взгляд, очень мало. Однако то, что содержит этот элемент, может концентрироваться, например, в виде расплава, где С будет составлять уже до 10-20%. Таким образом он способен определять в целом всю глубинную геодинамику нашей планеты, контролируя перенос вещества. Еще одним элементом, который играет похожую роль является водород», — рассказывает Константин Литасов.
Многопуансонный аппарат
Кроме фундаментальных изысканий в области наук о Земле, геологи попытаются решить и важную технологическую задачу, поработав и в сфере материаловедения. «Это касается синтеза нанокристаллических алмазов, возможно, с заданными свойствами, — говорит ученый, — и мы планируем заняться таким вопросом на третий год проекта». По словам специалиста, спектр исследования здесь пока широчайший, потому что это направление активно развивается только в последние несколько лет. Если говорить о предопределенных характеристиках наноалмазов, то они зависят от параметров материалов, которые закладываются под большие давления. Кроме этого, интересно синтезировать нанокомпозиты на основе углерода с добавками других элементов.
«С помощью современного оборудования на кристаллах часто можно нанести тонкие пленки или вырастить нужные наноструктуры. Мы же хотим попробовать создать алмаз уже с нановключениями этих (допирующих) веществ, чтобы он имел те или иные свойства. Каким он будет, пока неясно, это своеобразный научный «challenge»», — улыбается Константин Литасов. Далее он добавляет, что ученые ИГМ СО РАН хотят научиться еще и теоретически предсказывать получаемое в экспериментах, чтобы не бить впустую, так как в наше время они все дорожают, а расчеты с использованием суперкомпьютеров все дешевеют. «Это очень сложно, но мы работаем с ведущими в мире теоретиками из США и других стран, и они предполагают, что такие вещи, как свойства нанокристаллических структур при высоких температурах и давлениях, можно научится предсказывать в ближайшие 2-3 года», — отмечает геолог.