Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен
В Обсерватории глубинного углерода мы жаждем знать больше. Мы хотим понять скрытую, недоступную, глубинную область земной коры и мантии, где огромные давления и температуры давят и обжигают углерод и сопутствующие ему элементы, преобразуя их в новые, плотные формы, которые только-только становятся нам понемногу известными. Мы должны узнать эти манящие секреты недр, поскольку почти весь углерод Земли заперт внутри планеты. Для нас Земля — огромный сферический пазл, в котором лишь несколько кусочков по краям находятся точно на своих местах. Мы страстно желаем вставить недостающие фрагменты пазла минералов углерода, но есть серьезное препятствие: чем глубже мы идем, тем более сложной становится задача.
Из более чем 400 известных минералов углерода лишь жалкая горсточка представлена разновидностями, образовавшимися при высоком давлении{51}. Алмаз, выкованный при экстремальных температурах и давлениях в глубоких недрах Земли, — самый очевидный пример углеродсодержащего мантийного минерала. Еще один вероятный кандидат — плотный муассанит, представляющий собой карбид, в котором атомы углерода связаны непосредственно с кремнием в кристаллическую структуру, подобную алмазу (примечательно, что в этой структуре отсутствует кислород). Поскольку кристаллы карбида кремния обладают физическими свойствами, удивительно похожими на свойства кристаллов алмаза, ювелирные камни из ограненного и полированного синтетического муассанита нашли свое место на рынке в качестве сравнительно недорогих заменителей бриллиантов. Присутствие редких включений в алмазе указывает на несколько других возможных карбидных минералов родом из мантии, в которых атомы углерода связаны с металлами — железом, хромом или никелем. Но это касается найденных в природе образцов из глубин. Что еще может быть там, внизу?
Стандартный способ выявления возможных мантийных минералов заключается в том, чтобы подвергнуть распространенные минералы земной коры суровым условиям глубин в сотни или более километров под поверхностью Земли. Обычный кальцит — повсеместно распространенный карбонат кальция — стал одним из очевидных минеральных видов, которые стоило протестировать. Я хорошо помню, как читал передовое исследование Уильяма (Билла) Бассета и его аспиранта Лео Меррилла, описавших первую из последовательностей плотных форм кальцита, образующихся при высоком давлении{52}. Я был тогда аспирантом, и передо мной стоял вопрос об интересной теме для диссертации. У Билла имелся заманчивый ответ — кристаллография высокого давления.
Для такого ученого, как Билл Бассет, «глубинный углерод» означает «углерод высокого давления». Чем глубже вы погружаетесь в недра Земли, тем выше давление. Мантия Земли подвергает минералы давлению в сотни тысяч атмосфер, а в ядре оно превышает 1 млн атм. Шотландцу Джеймсу Холлу было весьма сложно воссоздать условия глубины 1 км в своих смелых экспериментах с ружейными дулами. Воссоздать же среду мантии Земли — самая трудная экспериментальная задача, которую только можно представить.
Дополнительная сложность для изучающего кристаллы экспериментатора — создать экстремальные давления Земли, не раскрошив кристаллический образец в порошок. Это своего рода компромисс. Вы хотите добиться самого высокого давления, какое только возможно, но при этом требуется подвергнуть крошечные площади действию больших сил. Однако крошечные площади означают крошечные кристаллы, которые легко разрушаются. Как же измерить столь малые кристаллы под давлением, не уничтожив то, что вы хотите исследовать? Проблема сложная, поскольку для того, чтобы выдержать давление, ваш образец должен быть заключен в крепкую защитную камеру. Но как можно сделать какие-либо полезные измерения через такой прочный барьер?
Блестящее решение этой проблемы было найдено в 1950-х гг. в Национальном бюро стандартов США (NBS), когда его ученые получили неожиданную возможность исследовать алмазы. Им дали большую партию изъятых у контрабандистов бриллиантов и сказали, что можно проводить с камнями любые эксперименты. Одну часть ценных камней — сотни карат бриллиантовых сокровищ — исследователи сожгли дотла в тщетных поисках вкраплений (вывод: в бриллиантах их не много). Другие алмазы, включая один прекрасный 8-каратный самоцвет, стоивший целое состояние, исцарапали, просверлили или раскрошили.
Именно во время тех надругательств над алмазами ученый NBS Элвин ван Волкенбург и обнаружил их уникальную способность играть двойную роль в экспериментах высокого давления — служить как резервуаром, в котором можно закреплять и сжимать образец, так и прозрачным окном для наблюдения этого сжатого образца. Ван Волкенбург составил пары бриллиантов, расположив их грани таким образом, чтобы сконцентрировать давление в образовавшейся ячейке с алмазными наковальнями[22]{53}. Его простая, подобная тискам конструкция прижимала алмазы друг к другу для создания огромных давлений, но образец кристалла при этом оказывался защищен.
Попробуем — слой за слоем — собрать DAC-камеру для образца. Нижний слой камеры — это плоская стальная пластина с просверленным в ней маленьким цилиндрическим отверстием. Возьмем первый алмаз и вставим его в отверстие наковальней вверх. Следующий слой — это прокладка, вырезанная из тонкого металлического листа не более 0,05 см толщиной. Маленькое отверстие в прокладке, точно отцентрированное над наковальней нижнего алмаза, служит цилиндрическими стенками ячейки с образцом. Заполним эту ячейку тремя составляющими: сначала наш кристаллический образец (обычно закрепляемый на месте крохотным комочком вазелина), рядом — мельчайшие зерна чувствительного к давлению рубина или какого-то другого материала, который послужит стандартом внутреннего давления, и наконец — чтобы дозаполнить ячейку с образцом — вода или какая-либо другая передающая давление жидкость. После того как на прокладке располагают второй алмаз, ячейка запечатывается. Его наковальня обращена вниз, он накрывается сверху второй стальной пластиной с отверстием. Когда камера для образца собрана, мы повышаем в ней давление, сжимая ее в любом из создающих давление устройств. Если мы были осторожны и аккуратно выровняли все цилиндрические отверстия, то сможем смотреть прямо сквозь алмазы на потрясающий, неожиданный мир высокого давления.
Команда NBS своей новой игрушкой, как они ее назвали, запустила целую эпопею экспериментов высокого давления. Исследователи зачарованно наблюдали, как чистая вода преобразовывалась в новые формы высокобарического льда, а алкоголь кристаллизировался иглами — их ван Волкенбург окрестил джин-сосульками. Экспериментаторы использовали дорогие спектрометры, чтобы измерять значительные изменения во взаимодействии света с материей. А еще они направляли рентгеновские лучи на образцы, пытаясь хоть чуть-чуть ухватить, как при сжатии атомы перераспределяются, образуя более плотные конфигурации.
Я был поистине пленен поразительными отчетами ван Волкенбурга и его коллег по NBS. Когда в начале 1970-х гг. я прочитал статьи об их достижениях и уловил манящий свет этого ранее скрытого глубинного царства, то понял, чем хочу заниматься в жизни.
Рентгеновские исследования кристаллов под давлением
Когда ученые из DCO говорят об обнаружении всех разнообразных «форм» углерода, у нас в мозгу возникает вполне определенное изображение. Мы представляем атомы. Все материалы вокруг
