Экспериментальное моделирование фазовых преобразований в слабоупорядоченном углеродном веществе при импактном воздействии
В.В. Уляшев, Т.Г. Шумилова, Б.А. Кульницкий, С.И. Исаенко, В.Д. Бланк
| УДК 549.211, 523.681.8 | https://doi.org/10.35597/2313-545X-2020-6-3-7 | Читать PDF (RUS) |
Аннотация
Об авторах
Список литературы
Аннотация
В статье представлены результаты экспериментального моделирования ударного (импактного) преобразования слабоупорядоченного углеродного вещества на примере воздействия короткоимпульсным лазерным излучением на стеклоуглерод. В процессе экспериментов достигнуты экстремально высокая температура ~14500 K и давление ~ 300 ГПа, соизмеримые с температурами и давлениями, сопровождавшими образование крупных метеоритных кратеров на поверхности Земли. На основе анализа продуктов преобразования вещества мишени установлено плавление стеклоуглерода, его последующая соли-дификация, частичная кристаллизация при остывании и формирование полифазных композитов, содержащих гексагональный нанокристаллический графит, полые луковичноподобные и одно- и двухслойные фуллереноподобные структуры. Полученные продукты синтеза, в том числе, высокобарические углеродные полимеры и полые луковичные фуллереноподобные структуры представляют интерес в качестве углеродных материалов, образовавшихся при ультравысоких давлениях и температурах. Результаты экспериментального моделирования могут быть также использованы для сравнения с продуктами природного происхождения с целью объяснения механизмов образования природных высокобарических углеродных композитов по неграфитовому прекурсору.
Илл. 7. Табл. 1. Библ. 64.
Ключевые слова: импактный метаморфизм, короткоимпульсное лазерное воздействие, трансформация, плавление углерода, стеклоуглерод, графитизация, высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света.
Об авторах
В.В. Уляшев, Институт геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, ул. Первомайская 54, г. Сыктывкар, 167610 Россия;
vaskom77@mail.ru
Т.Г. Шумилова, Институт геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, ул. Первомайская 54, г. Сыктывкар, 167610 Россия;
Б.А. Кульницкий, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ),
ул. Центральная 7а, г. Троицк, г. Москва, 108840 Россия
С.И. Исаенко, Институт геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, ул. Первомайская 54, г. Сыктывкар, 167610 Россия;
В.Д. Бланк, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ),
ул. Центральная 7а, г. Троицк, г. Москва, 108840 Россия
Список литературы
- Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Квачева Л.Д., Климовский И.И., Кононов М.А., Михалицын Л.А., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Савранский В.В. (2006) Плавление углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением в воздухе при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 4000 К. Письма в журнал экспериментальной и технической физики, 84(5), 315–319.
- Агранат М.Б., Анисимов С.И., Ашитков С.И., Кириллин А.В. Кондратенко П.С., Костановский А.В., Фортов В.Е. (1997) Образование аморфного углерода при плавлении микрокристаллического графита под действием пикосекундных лазерных импульсов. Письма в журнал экспериментальной и технической физики, 66(10), 661–665.
- Асиновский Э.И., Кириллин А.В., Костановский А.В. (2002) Экспериментальное исследование термических свойств углерода при высоких температурах и умеренных давлениях. Успехи физических наук, 172(8), 931–944.
- Башарин А.Ю., Дождиков В.С., Дубинчук В.Т., Кириллин А.В., Лысенко И.Ю., Турчанинов М.А.(2009) фазы быстрой закалки жидкого углерода. Письма в журнал технической физики, 35(9), 84–92.
- Беленков Е.А., Грешняков В.А. (2013) Классификация структурных разновидностей углерода. физика твердого тела, 55(8), 1640–1650.
- Боримчук Н.И., Зелявский В.Б., Курдюмов А.В., Островская Н.Ф., Трефилов В.И., Ярош В.В. (1991) Механизм прямых фазовых превращений сажи и угля в алмаз при ударном сжатии. Доклады Академии наук, 321(1), 95–98.
- Бурдонский И.Н., Гольцов А.Ю., Леонов А.Г., Макаров К.Н., Тимофеев И.С., Юфа В.Н. (2013) Генерация ударных волн при взаимодействии мощного лазерного излучения с поликристаллическими мишенями. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез, 36(2), 8–18.
- Вишневский С.А. (2007) Астроблемы. Новосибирск, ООО Нонпаралель, 288 с.
- Вишневский С.А., Афанасьев В.П., Пальчик Н.А., Аргунов К.П. (1997) Импактные алмазы. Особенности,происхождение и значение. Новосибирск, ОИГГМ СО РАН НИц, 53 с.
- Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. (1987) Лазерная техника и технология. М., Высшая школа, 191 с.
- Езерский В.А. (1982) Ударно-метаморфизованное углистое вещество в импактитах. Метеоритика, 41, 134–140.
- Езерский В.А. (1986) Гипербарические полиморфы, возникшие при ударном преобразовании углей. Записки Всесоюзного минералогического общества, 115 (1), 26–33.
- Корочанцев А.В. (2004) Ударное преобразование битумов: приложение к органическому веществу метеоритов и импактитов. Автореферат дис. канд. геол.-мин. наук. М., Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, 27 с.
- Курдюмов А.В., Бритун В.Ф., Ярош В.В., Даниленко А.И., Зелявский В.Б. (2012) Влияние условий ударного сжатия на превращения графита в лонсдейлит и алмаз. Сверхтвердые материалы, 1, 27–37.
- Лютоев В.П., Тихомирова Н.С. (2008) Модификации кремнезема в импактитах Карской астроблемы. Структура и разнообразие минерального мира. Материалы международного семинара. Сыктывкар, Геопринт, 418–421.
- Мартиросян О.В. (2014) факторы и механизмы структурной эволюции органических минералоидов. Автореферат дис. док. геол.-мин. наук. Сыктывкар, Институт геологии Коми Нц УрО РАН, 38 с.
- Масайтис В.Л., Гневушев М.А., Футергендлер С.И. (1972) Алмазы в импактитах Попигайского метеоритного кратера. Записки Всесоюзного минералогического общества, 101(1), 108–112.
- Масайтис В.Л., Гневушев М.А., Шафрановский Г.И. (1979) Минеральные ассоциации и минералогические критерии генезиса астроблем. Записки Всесоюзного минералогического общества, 108 (3), 257–253.
- Масайтис В.Л., Мащак М.С., Райхлин А.И. Селивановская Т.В., Шафрановский Г.И. (1998) Алмазоностные импактиты Попигайской астроблемы. СПб., ВСЕГЕИ, 179 с.
- Соболев Н.В. (2006) Коэсит как индикатор сверхвысоких давлений в континентальной литосфере. Геология и геофизика, 47(1), 95–104.
- Уляшев В.В., Велигжанин А.А., Шумилова Т.Г., Кульницкий Б.А., Пережогин И.А., Бланк В.Д. (2018б) Исследование импактного углеродного вещества Карской астроблемы методом малоуглового рассеяния синхротронного излучения. Минералогия, 4(4), 41–48.
- Уляшев В.В., Шумилова Т.Г., Кульницкий Б.А., Пережогин И.А., Бланк В.Д. (2018a) Наноструктурные особенности углеродных полифазных агрегатов апо-угольных продуктах импактного метаморфизма. Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН, 284(8), 26–33.
- Bleu Y., Bourquard F., Tite T., Loir A. S., Maddi C., Donnet C., Garrelie F. (2018) Review of graphene growth from a solid carbon source by pulsed laser deposition (PLD). Frontiers in Chemistry, 21(6), 572–590.
- Bonse J., Höhm S., Kirner S. V. , Rosenfeld A., Krüger J. (2017) Laser-induced periodic surface structures – a scientifc evergreen. IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 23(3), 9000615.
- Boustie M., Berthe L., de Resseguier T., Arrigoni M. (2008) Laser shock waves: fundamentals and applications. 1st International symposium on laser ultrasonics: science, technology and applications. Montreal, Canada.
- Bundy F.P., Bassett W.A., Weathers M.S., Hemley R.J., Mao H.U., Goncharov A.F. (1996) The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994. Carbon, 34(2), 141–153.
- Cancado L.G., Takai K. (2006) General equation or determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectroscopy. Applied Physics Letters, 88, 163106.
- Chao E.T.C., Shoemaker E.M., Madsen B.M. (1960) First natural occurrence of coesite. Science, 132, 220–222.
- Fortov V.E., Korobenko V.N., Savvatimskiy A.I.(2011) Liquid metals and liquid carbon: some similar properties at high temperatures. EPJ Web of Conferences, 15, 02001.
- French B.M., Koeberl C. (2010) The convincing identifcation of terrestrial meteorite impact structures: what works, what doesn’t, and why. Earth Science, 98, 123–170.
- French B.M. (1998) Traces of catastrophe: a handbook of shock-metamorphic efects in terrestrial meteorite impact structures. Houston, Lunar and Planetary Institute, 954, 120 p.
- Gerasimov M.V., Ivanov B.A., Yakovlev O.I., Dikov Yu.P. (1999) Physics and chemistry of impacts. Laboratory Astrophysics and Space Research, 236, 279–330.
- Ghiringhelli L.M., Los J.H., Meijer E.J., Fasolino A., Frenkel D. (2005) Liquid carbon: structure near the freezing line. Journal of Physics: Condensed Matter, 17(45), 3619–3624.
- Giessibl F. (2003) Advances in atomic force microscopy. Reviews of Modern Physics, 75(3), 949–983.
- Graf D., Molitor F., Ensslin K., Stampfer C., Jungen A., Hierold C., Wirtz L. (2007) Spatially resolved Raman spectroscopy of single- and few-layer graphene. Nano Letters, 7(2), 238–242.
- Haaland D.M. (1976) Determination of the solid-liquid-vapor triple point pressure of carbon. Technical report Sandia national laboratories. Albuquerque, New Mexico, US Energy Research and Development Administration, 45 p.
- Harris P.J.F. (1997). Structure of non-graphitising carbons. International Materials Reviews, 42(5), 206–218.
- Harris P.J.F. (2004) Fullerene-related structure of commercial glassy carbons. Philosophical Magazine, 84(29), 3159–3167.
- Harris P.J.F. (2005) New perspectives on the structure of graphitic carbons. Critical Reviews in Solid State and Material Sciences, 30, 235–255.
- Jenkins G. M., Kawamura K. (1971) Structure of glassy carbon. Nature, 231, 175–176.
- Katsumata Y., Morita T., Morimoto Y., Shinta-ni T., Saiki T. (2014) Selforganization of a periodic structure between amorphous and crystalline phases in a GeTe thin flm induced by femtosecond laser pulse amorphization. Applied Physics Letters, 105(3), 031907.
- Kenkmann T., Poelchau M.H., Wulf G. (2014) Structural geology of impact craters. Journal of Structural Geology, 62, 156–182.
- Langenhorst F. (2002) Shock metamorphism of some minerals: basic introduction and microstructural observations. Bulletin of Czech Geological Survey, 77(4), 265–282.
- Langenhorst F., Deutsch A. (1998) Mineralogy of astroblemes – terrestrial impact craters. Mineral matter in space, mantle, ocean foor, biosphere, environ-mental management, and jewelry (ed. Marfunin A.S.). berlin, Springer, 95–119.
- Langenhorst F., Deutsch A. (2012) Shock metamorphism of minerals. Elements, 8, 31–36.
- Langenhorst F., Stofer D. (1994) Shock metamorphism of quartz in nature and experiment: I. basic observations and theory. Meteoritics, 29, 155–181.
- Li Q.-Q., Zhang X., Han W.-P., Lu Y., Shi W., Wu J.-B., Tan P.-H. (2015) Raman spectroscopy at the edges of multilayer graphene. Carbon, 85, 221–224.
- López-Lorente A.I., Simonet B.M., Valcárcel M. (2014) Raman spectroscopic characterization of single walled carbon nanotubes: infuence of the sample aggregation state. Analyst, 139(1), 290–298.
- Melosh H.J. (1989) Impact cratering, a geological process. New York, Oxford University Press, 245 p.
- No Y.-S., Choi H.K., Kim J.-S., Kim H., Yu Y.-J., Choi C.-G., Choi J.S. (2018) Layer number identifcation of CVD-grown multilayer graphene using Si peak analysis. Scientifc Reports, 8, 571.
- Pesin L.A. (2002) Review: Structure and properties of glass-like carbon. Journal of Materials Science, 37, 1–28.
- Puerto D. Garcia-Lechuga M., Hernandez-Rueda J., Garcia-Leis A., Sanchez-Cortes S., So-lis J., Siegel J. (2016) Femtosecond laser-controlled self-assembly of amorphous-crystalline nanogratings in silicon. Nanotechnology, 27, 265602.
- Sadezky A., Muckenhuber H., Grothe H., Niessner R., Poschl U. (2005) Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: Spectral analysis and structural information. Carbon, 43, 1731–1742.
- Savvatimskiy A. (2009) Experimental electrical resistivity of liquid carbon in the temperature range from 4800 to 20000 K. Carbon, 47(10), 2322-2328.
- Savvatimskiy A. (2015) Carbon at high temperatures. Springer Series in Material Science, 257 p.
- Shiraishi M. (1984) Graphitization of carbon. Ch. 3 Kaitei tansozairyo minyumon. Tokio, Carbon Society of Japan, 29 p.
- Shumilova T.G., Isaenko S.I. (2019) Nanostructure of sugarlike aftercoal impact diamonds. Mineralogy and Petrology, 11 3, 583–592.
- Shumilova T.G., Isaenko S.I., Ulyashev V.V., Kazakov V.A., Makeev B.A. (2018) After-coal diamonds: An enigmatic type of impact diamonds. European Journal of Mineralogy, 30(1), 61–76.
- Shumilova T., Kis V., Masaitis V. , Isaenko S., Makeev B. (2014) Onion-like carbon in impact diamonds from Popigai astrobleme. European Journal of Mineralogy, 26, 267–277.
- Shumilova T., Maximenko N., Zubov A., Kovalchuk N., Ulyashev V., Kis V. (2019) Varieties of impactites and impact diamonds of the Kara meteorite crater (Pay-Khoy, Russia). IOP Conference Series: Earth & Environmental Sciences, 362, 012043.
- Shumilova T.G., Ulyashev V.V., Kazakov V.A., Isaenko S.I., Svetov S.A., Chazhengina S.Ya., Kovalchuk N.S. (2020) Karite – diamond fossil: A new type of natural diamond. Geoscience Frontiers, 11(4), 1163–1174.
- Stofer D. (1971) Progressive metamorphism and classifcation of shocked and brecciated crystalline rocks at impact craters. Journal of Geophysical Research, 76(23), 5541–5551.
- Stofer D., Langenhorst F. (1994) Shock metamorphism in nature and experiment: basic observations and theory. Meteoritics, 29, 155–181.
- Wackerle J. (1962) Shock wave compression of quartz. Journal of Applied Physics, 33, 922–937.
МИНЕРАЛОГИЯ № 3 2020