1-qism. Yer markaziga sayohat: ekstremal bosim ostida moddalarning xususiyatlari qanday o‘zgaradi?
Oʻrta
10 min
31.05.2023
Fizika va astronomiya

Sayyoralarning yadrosida millionlab atmosfera hajmidagi ulkan bosim rivojlanadi. Bunday sharoitda bizga tanish boʻlgan materiallar oʻz xususiyatlarini keskin oʻzgartiradi. Metallar elektr tokini oʻtkazishni toʻxtatadi, gazlar oʻta oʻtkazuvchan boʻlib qoladi va elementlarning atomi imkonsiz, kimyoviy birikmalarga birikadi. Aynan shunday sharoitda ilmiy- fantastik hikoyalarda tasvirlangan, yangi materiallar paydo boʻladi. NITU MISiS bilan hamkorlikdagi yangi loyihamizning birinchi matni “Bu — ajoyib!” deb nomlanib, u bosim ostida materiallarning gʻayrioddiy tarzda oʻzgarishiga bagʻishlangan.

Eng avvalo biz sizga Yer yuzasida uning yadrosidan koʻra koʻproq ekstremal sharoitlarni yaratish mumkinligi haqida hikoya qilamiz va materiallar xususiyatini keskin oʻzgartiradigan reaksiyalar sababini tushuntiramiz. Keyin esa ilmiy-fantastik romanlarning sahifalarida uchraydigan metall vodorod, superolmos (lonsdeylit), toʻqqizinchi muz va neytron yulduzlarining tarkibiy moddasi boʻlgan neytroniy kabi bir nechta materiallarni koʻrib chiqamiz.


Konkilar va qalay vabosi

Jyul Vernning “Yer markaziga sayohat” asarida qahramonlar sayyoramiz ichi boʻm-boʻsh ekanini aniqlaydi. Bundan tashqari, uning qaʼrida tarixiy hayot saqlanib qolgan ekan. Jyul Vern oʻz hikoyalarini zamonaviy ilmiy bilimlarga asoslagan, oʻsha vaqtda “boʻsh Yer” gipotezasi zamonaviy qarashlarni deyarli magʻlub etgandi. Hozir sayyoramiz ikki qavatli temir yadroni oʻrab turgan mantiyadan tashkil topganini juda yaxshi bilamiz. Yerning markaziga haqiqiy sayohat aql bovar qilmaydigan qiyinchiliklardan iborat boʻlardi. Chunki u atmosfera bosimidan uch million baravar yuqori. Hatto yadroni kesib oʻtgan, tayyor tunnel boʻlsa ham, u orqali uchib oʻtish oʻta mashaqqatli edi.

Bosim taʼsirida bizga yaxshi tanish boʻlgan materiallar oʻz xususiyatini tubdan oʻzgartirishi mumkin. Gap shundaki, turli sharoitlarda kristall panjaradagi atomlarning turli xil upakovkalari “qulay” yechim hisoblanadi. “Noqulay” panjara boʻlgan vaziyatda kristall oʻzining potensial energiyasini kamaytirish imkoniyatiga ega, xuddi stol ustida yotgan toʻp tushib ketish imkoniyatiga ega boʻlganidek. Bu holda panjaraning qayta shakllanishi stoldan tushib ketishiga oʻxshaydi.

Masalan, siqilganda kubiklardan tashkil topgan panjara tekislangan parallelepipedlardan tashkil topgan panjaraga aylanib qolishi mumkin va hokazo. Bunday holda kristall oʻzining simmetrik shaklini oʻzgartiradi va u bilan birga elektr hamda magnit xususiyatlar ham oʻzgaradi.

Mana shunday fazali oʻzgarishlarning aksariyati katta bosimli sharoitlarda sodir boʻladi, bunday oʻzgarishlarni odatiy sharoitlarda hosil qilish qiyin. Bosim biz oʻrganib qolgan materialning tuzilishini oʻzgartiradigan, qiziqarli misollardan biri bu konkining sirpanishidir. Konkining tigʻi muz ustida yuzlab atmosferagacha bosim hosil qiladi. Suvning fizik xususiyatlari oʻziga xosligidan kelib chiqqan holda bosim ortishi bilan muzning qattiq holatda emas, balki suyuqlikka aylanishi foydali boʻladi. Bu konkining sirpanishini qisman osonlashtiradigan, yupqa suyuqlik qatlami shakllanishiga yordam beradi. Kattaroq darajada tasavvur qilsak, bu omil ulkan muzliklarning harakatlanishida muhim rol o‘ynaydi.

Qattiq jismlardagi ikki turdagi atom upakovkasi oʻrtasida yuzaga keladigan fazali oʻzgarishlarni yuqori bosim sharoitida emas, balki harorat oʻzgarganda kuzatish osonroq. Sovuqda qalayning bir shakldan ikkinchi shaklga oʻtishi mana shunday oʻzgarishga klassik misoldir. Robert Skottning Janubiy qutbga uyushtirgan ekspeditsiyasi halokatida (shuningdek, Napoleon armiyasining Rossiyadagi magʻlubiyatida) aynan mana shu qalay vabosini ayblashadi. Selsiy bo‘yicha 13 darajadan past haroratda oq-beta qalay kulrang-alfa qalayga nisbatan kamroq barqaror boʻladi. Ikkinchisida atomlar narigisiga qaraganda chorak miqdorda kamroq masofada joylashgan. Shuning uchun qalay vabosi metallning kengayishi, yorilishi va kukunga aylanishiga olib keladi. Taxminan minus 33 daraja haroratda bu fazaga oʻtish tezligi maksimal boʻladi. Atomning qayta tashkil etilishi yoqilgʻi konteynerlarining ulangan joylarini va askarlar kiyimidagi qalay tugmachalarni parchalab yuboradi.

Biroq bizning keyingi suhbatimiz materiallarning bosim ostida qanday oʻzgarishiga qaratiladi. Agar Jyul Vern kitobi qahramonlari Yerning markaziga yetib borganida, u yerda juda katta, uch milliondan ortiq atmosfera bosimini koʻrgan boʻlar edi. Bunday sharoitlar materiallar bilan yanada gʻayrioddiy narsalarni amalga oshiradi.


Bir million atmosfera bosimi

Misol uchun, natriyni – yaltiroq va elektr tokini yaxshi oʻtkazadigan odatiy metallni olsak va uni bir million atmosfera bosimi bilan siqsak, u shishadek shaffof boʻlib qoladi. Bundan tashqari, u elektr oʻtkazuvchanlik xususiyatini butunlay yoʻqotadi va dielektrikka aylanadi. Buni taxminan yuqori darajada siqilgan natriy atomlari elektronlar harakati uchun boʻsh joy qoldirmasligi bilan izohlash mumkin. Ular kristall panjara orasida “qulflanib qoladi” va shunchaki elektr oqimini tashiy olmaydi.

Bosim ostida moddalarning kimyoviy xossalari ham oʻzgaradi. Keling, asl gazlar sinfining vakili boʻlgan ksenonni olaylik. U bir million atmosfera bosimida kislorod bilan oʻzaro reaksiyaga kirisha boshlaydi. U hattoki meʼyoriy sharoitda oʻta faol ftorda ham yonmaydi. Bundan tashqari, ikki million atmosferada u azot bilan Xe(N2)2 koʻrinishidagi, zaif bogʻlangan molekulalarni hosil qiladi. Shuni taʼkidlash kerakki, azotning oʻzi ham faol boʻlmagan kimyoviy moddalar qatoriga kiradi.

Superoʻtkazuvchanlikning harorat boʻyicha rekordlari yuqori bosim bilan bogʻliq. Bu past haroratlarda materiallar oʻzining elektr qarshiligini toʻliq yoʻqotish hodisasi bilan bogʻliq boʻladi. XX asrning boshidan beri (Kamerling-Onnes suyuq geliy temperaturasida simobning oʻta oʻtkazuvchanlik xossasini kashf qilganida) fiziklar mana shunday holat eng yuqori haroratlarda yuz berishi mumkin boʻlgan moddalar reaksiyalarini izlayotgan edi. Oddiy bosimlarda qatlamli kuprat HgBa2Ca2Cu3O8+x holatidagi modda 1993-yildan buyon rekordchi hisoblanadi. U minus 138 daraja Selsiyda oʻta oʻtkazuvchan holatga oʻtadi. Yuqori bosimlarda xuddi shu material minus 109 daraja Selsiyda superoʻtkazgichga aylanadi. Shuningdek, millionlab atmosferalar mutlaqo noodatiy materiallarni superoʻtkazgichlarga aylantirib yuboradi. Shunday qilib, ikki yil avval maʼlum boʻldiki, bir yarim million atmosfera bosimi va minus 70 daraja haroratda vodorod sulfidi elektr qarshiligini yoʻqotadi. Meʼyoriy sharoitda bu yoqimsiz hidli gaz hisoblanadi xolos.

Bunday ekstremal sharoitlarda materiyaning xatti-harakatlarini oʻrganish uchun ikkita yondashuv mavjud. Yuqori bosim ostiga materialni toʻgʻridan toʻgʻri joylashtirish uchun biz Yupiter yoki Yerning yadrosiga yetib bora olmaymiz. Shuning uchun kompyuter simulyatsiyasi (natriyda oʻtkazuvchan boʻlmagan holatga oʻtish shunday prognoz qilingan) yoki qurilmalarda bunday bosimlarni eksperimental ravishda yaratish imkoniyati mavjud.


Olmos sandon

Millionlab atmosfera bosimi sharoitini yaratish uchun olimlar bunday sharoitlarda xossalarini oʻzgartirmaydigan, eng mustahkam va bardoshli materiallarga muhtoj boʻladi. Buning uchun odatda olmosdan foydalaniladi. Ulardan maxsus sandon tayyorlanadi va tahlil qilinayotgan material Yerdagi eng qattiq jismlardan birining chekkasiga yopishtiriladi. Keyin sandonning ikki yarmi bir-biriga yaqinlashtiriladi. Ular orasidagi masofa qisqara boshlagach, bosim tez oʻsa boshlaydi.

Shu tariqa, olimlar 10 million atmosferagacha yoki trillion paskalgacha boʻlgan bosimni hosil qilishga muvaffaq boʻldi. Albatta, buning uchun qoʻshimcha ishlar talab qilingan, yaʼni bir bosqichli sandonni ikki bosqichliga aylantirish kerak boʻldi. Bunda ikkinchi bosqich nanokristalli olmosdan tayyorlandi.

Olmoslarni tanlash nafaqat ularning qattiqligi, balki optik va infraqizil nurlanish uchun shaffoflik bilan ham bogʻliq. Bu ekstremal sharoitlarda material bilan nimalar sodir boʻlishini aniq tushunib olish imkonini beradi. Masalan, tajriba davomida modda elektr xususiyatlarini oʻzgartiradimi yoki yoʻqmi? Bundan tashqari, tajribalarda sandon rentgen nuri bilan nurlantiriladi. Rentgen toʻlqin uzunligi tahlil qilinayotgan modda atomlari oʻlchamidan kichikroq boʻladi, shuning uchun tahlil qilinayotgan moddaning kristallari nurlanish jarayonida difraksion panjara vazifasini bajaradi. Oʻrganilayotgan materialga rentgen nurini yoʻnaltirish orqali undagi atomlarning joylashishini tiklash, moddaning kristall tuzilishi oʻzgarganini aniqlash mumkin.

Bir bosqichli olmos sandonning koʻrinishi

Fizika-matematika fanlari doktori, NITU MISiS yangi materiallarni modellashtirish va ishlab chiqish laboratoriyasining ilmiy direktori Igor Anatolyevich Abrikosov sandonlar ustida olib borilayotgan ishlar haqida gapirib berdi. Igor Anatolyevich superkompyuterda materiallarning harakatini modellashtiradi va uning yuqori bosim boʻyicha olib borayotgan ishlari birinchi navbatda nazariya bilan bogʻliq.

“Tajribada qoʻllaniladigan olmoslarga qoʻyiladigan talablar zargarlik buyumlariga qoʻyiladigan talablardan ham yuqori boʻladi. Ammo hatto ular ham yuqori bosim taʼsirida yoʻq boʻlib ketadi. Bu juda moʻrt materialdir. Agar siz bosimni million atmosferadan oshirsangiz, olmosni oʻz holatida qaytarib olish haqida unutishingiz mumkin. Olmos, shubhasiz, yorilib ketadi. Tajriba oʻtkazuvchilarning ustaligi olmoslarning imkon qadar uzoqroq vaqt davomida sinib ketmasligini taʼminlay oladigan sandonni yigʻish va oʻrnatish bilan ifodalanadi. Men birinchi tajribadayoq mana shunday olmoslarning bir nechtasini ketma-ket sindirib yuborgan aspirantlarni uchratganman. Yuqori bosim bilan ishlash juda qimmat tajriba hisoblanadi.

Uskunadagi bosimni aniqlash uchun olmos katakchasiga ichki standart qoʻyiladi. Bosim toʻgʻridan toʻgʻri oʻlchanmaydi. Buning oʻrniga biz bosim ostida xatti-harakatlari bizga yaxshi maʼlum boʻlgan moddaning kristall panjarasidagi atomlar orasidagi masofani oʻlchaymiz. Bular, masalan, oltin, volfram, molibden, platina boʻlishi mumkin. Tajribalarda koʻpincha oltin ishlatiladi, yaʼni tajriba davomida rentgenogramma qilinadi, atomlararo masofa va undan kelib chiqib bosim aniqlanadi.

Oddiy olmoslar uchun bosim chegarasi toʻrt million atmosfera deb hisoblangan. Bu ularning mexanik kuchi chegarasidir.
Biz yaqinda sakkiz million atmosfera bosimi ostida osmiyning harakati haqida maqola chop etdik. Bunday bosimlarni yaratish usuli shundan iboratki, mening hammualliflarim oddiy olmoslar orasiga nanoolmoslarning yarimsharlari – nano oʻlchamdagi olmos donalari yigʻindisini joylashtirdi. Ular olmosning oʻzidan ham qattiqroq boʻlib chiqdi (donachalar olmosni tirnab yuboradi). Bosim berish orqali siqish tekis olmos yuzalari oʻrtasida emas, balki nanoolmos yarimsharlarining yuqori qismlari orasida sodir boʻladi. Yuzalarning uchrashuv qismi kichikroq boʻladi va shu tarzda biz bosimni ikki baravar oshirishga muvaffaq boʻldik. Hozirda bunday tajribalar davomida 10 million atmosfera bosimiga erishilmoqda.

Materialga bosim oʻtkazganingizda, undagi kimyoviy bogʻlanishlar oʻzgaradi. Shu tarzda faqat kimyoviy bogʻlanishni yaratishda ishtirok etadigan atomlarning tashqi elektronlariga taʼsir qilish mumkin deb ishonib kelingan. Bizning tajribamizda bosimlar shunchalik yuqori boʻlib chiqdiki, ular atomlarning nafaqat tashqi, balki ichki elektronlariga ham taʼsir koʻrsatdi. Biz esa buni kuzatishga muvaffaq boʻldik. Tajribada atomlararo masofalar, bogʻlanishlar oʻzgardi, yaʼni, atomlarning hech narsaga taʼsir qilmaydigan darajada chuqur deb hisoblangan, ichki elektronlari aslida kimyoviy bogʻlanish hosil boʻlishida qanday ishtirok etganining guvohi boʻldik. Biz ularga hech qachon yetib borib boʻlmaydi, deb hisoblardik.

Ikki olmosli hujayradagi bosim chegarasi qanday, degan savolga men hozircha javob bera olmayman, chunki biz hozirda nanoolmosdagi jarayonlarni fundamental ravishda tushunish yoʻlining boshida turibmiz”, — deydi I.A.Abrikosov, NUST MISiS yangi materiallarni modellashtirish va ishlab chiqish laboratoriyasining ilmiy direktori.

Yuqori bosim sharoitida yuzaga keladigan ekzotik materiallarni ilmiy-fantastik asarlarda uchratish mumkin. Qizigʻi shundaki, ularning koʻpchiligi haqiqiy namunalar koʻrinishiga ega va hatto laboratoriyalarda sintez qilingan.


Maqolaning 2-qismini bu yerda o‘qing → sinaps.uz/maqola/14498


Muallif: Vladimir Korolyov. Ushbu maqola nplus1.ru saytidagi “Путешествие к центру Земли. Как меняются свойства материалов в условиях экстремального давления” nomli maqolaning tarjimasi.
Muqova surat: nplus1.ru

Matnda xato topdingizmi? Kerakli matnni belgilang va CTRL+ENTER tugmalarini bosing.

Eng so‘nggi maqolalarni o‘tkazib yubormang!
Telegram kanalamizni kuzatib boring!