Новые материалы космического происхождения17.12.2015 13:10

Физик Сергей Таскаев о составе метеоритов, проблеме синтеза железоникелевых сплавов и элементах жизни, обнаруженных в космических телах

Я являюсь счастливым очевидцем события, которое произошло 15 февраля 2013 года, — к нам в город Челябинск был доставлен метеорит. Произошла даже некоторая мистическая история: буквально за месяц до этого мы участвовали в конференции, где был один очень интересный доклад, посвященный магнитным свойствам метеоритного сплава, железоникелевого. Он на Земле не синтезируется по ряду причин. Достать этот материал, чтобы посмотреть, — целая проблема, поскольку метеориты каждый день не валятся. Общая масса метеорита составляла 12 000 тонн, выпало менее процента от этого количества, собрано и того меньше — порядка 1,5 тонн. Часть из этого материала пошла на исследования. Исследования очень интересные, они проводились разными группами, опубликовано много результатов, и еще не меньше, я думаю, предстоит опубликовать.

Чем же интересен метеорит, помимо того, что это страшно опасный объект? В истории Земли случалось много катастрофических событий, связанных с метеоритами. Прежде всего 13 тысяч лет назад произошло падение метеорита в районе Канады, провинции Квебек. В результате этого падения наступил так называемый ледниковый период, известный многим по мультфильму. Более катастрофичные события состоялись примерно 65 миллионов лет назад — упал метеорит на северо-востоке полуострова Юкатан, кратер называется Чиксулуб. Кратер очень большой: его диаметр равен 180 километрам, глубина — нескольким километрам. После этого события состоялся огромный природный катаклизм, было цунами с высотой волны порядка 100 метров, что привело к исчезновению целых видов флоры и фауны того времени, периода между мелом и кайнозоем. Помимо этого состоялось еще множество падений достаточно больших объектов, и все они сопровождались серьезными катастрофическими изменениями на планете Земля. Если упомянуть самый большой, то это кратер на Земле Уилкса в Антарктиде с диаметром примерно 500 километров. Правда, сейчас четкого понимания нет, кратер это от метеорита или это нечто иное.

Помимо того, что происходят такие падения, такие явления, имеющие прямое влияние на нас с вами, метеориты очень интересны с точки зрения новых материалов. Что мы знаем о материалах, которые нас окружают? Практически ничего. Если посмотреть на нашу планету, то это некий шар с радиусом 6400 километров. Все, что мы знаем, находится на глубине не ниже 12 километров, это Кольская скважина, которая была просверлена в одной точке Земли. Была получена масса интересной информации. Однако, если посмотреть на радиус и то, куда мы зашли посредством этой скважины, это будет всего десятые доли процента от того, что еще нам предстоит изучить. В этом отношении метеориты представляют собой очень интересные объекты для исследования, потому что некоторые из них прошли дифференциацию вещества в результате плавления в больших астероидах, которые могли составлять десятки, сотни километров. В результате каких-то импактных событий в космосе они самоударялись, происходило разрушение этого материала, объекты превращались в рой различных мелких астероидов, которые в процессе могли попасть в гравитационное поле Земли, либо наши траектории каким-то образом пересекались. Если эти объекты попали в область гравитации Земли, они выпали на Землю.

Вообще каждый день на нашу планету выпадает примерно от 100 до 1000 тонн метеоритного вещества различного космического происхождения, но некоторые объекты достаточно большие. Что интересного существует в этих метеоритах? Прежде всего материалы. Те условия синтеза, через которые проходит метеоритное вещество, на Земле практически недостижимы, и это в первую очередь давление. В результате ударных событий в космосе мы можем получить давление в сотни тысяч атмосфер, температуру в тысячи градусов, все это сопровождается одновременно облучением вещества различными элементарными частицами, потоками элементарных частиц. А дальше начинаются вообще чудеса. После того как произошло плавление этого вещества, оно может остывать очень медленно, и это оказывает прямое влияние на те фазы, на те материалы, которые синтезируются в процессе такой жизни метеорита.

Мы занимаемся магнитными материалами. В начале лекции я сказал, что железоникелевые сплавы имеют очень интересные характеристики. Почему? Вообще железоникелевые сплавы — это такие классические магнитно-мягкие материалы. Они очень легко перемагничиваются. Однако в метеоритах эта фаза представляет собой аналог постоянного магнита. Это фаза с очень большой магнитной анизотропией. На сегодняшний день они подошли вплотную к современным постоянным магнитам на основе редкоземельных элементов. Например, неодим-железо-бор. Это очень интересно, потому что стоимость железоникеля несопоставима со стоимостью редкоземельных постоянных магнитов. Попытаться синтезировать такой сплав — задача нетривиальная. Попытаюсь объяснить почему.

Железоникель, если мы хотим его приготовить, — это сплав, который кристаллизируется в кубическую фазу, однако эта фаза является химически разупорядоченной — структура А1. Эта структура представлена в виде кубика, в вершинах которого атомы железа и никеля располагаются как бог на душу положил. Однако эта структура неустойчива, она является метастабильной. Стабильной является структура, которую ученые обозначают L10. В ней есть химический порядок, там наблюдается чередование плоскостей: железо — никель, железо — никель, так называемая сверхструктура. Эта структура обладает как раз очень интересными магнитными свойствами, у нее очень высокая магнитная анизотропия и очень большие перспективы применения, если научимся ее синтезировать. На сегодняшний день такая структура найдена только в метеоритах, и это большое счастье — найти ее, изучить характеристики, понять, как она синтезируется.

Мы подошли к проблеме синтеза со стороны интенсивных пластических деформаций. Есть публикации, которые говорят о том, что данная фаза может быть синтезирована путем интенсивного облучения, например, потоком элементарных частиц (нейтронами). Тот сплав железоникеля, тетратэнит, который обладает очень хорошими магнитными характеристиками в качестве постоянного магнита в этой структуре L10, очень трудно синтезируется. Почему? Потому что для синтеза этой фазы из химически разупорядоченной, чтобы у нас все атомы легли в свои плоскости — железо было в своей плоскости, никель был в своей, — требуется очень много времени. Один диффузный перескок атома при комнатной температуре в сплаве железоникеля происходит один раз за 10 тысяч лет. Чтобы наше вещество структурировалось нужным образом (напомню, что химически разупорядоченная структура является метастабильной, а структура L10, структура тетратэнита, является стабильной), требуется очень большое время, составляющее миллионы лет. В космосе эти условия достижимы. Во-первых, там нас никто не ограничивает по времени, этот сплав у нас летает, участвует во всех космических перипетиях, времени у него совершенно достаточно, чтобы прошла химическая дифференциация материалов по плоскостям и получился как раз тот материал, который нам нужен, с теми свойствами, которые нам нужны.

Вообще говоря, аналогом является алмаз. Алмаз — это метастабильная форма углерода, однако он существует, и ничего. То же самое с железоникелем: он существует в метастабильной форме (состав 50 на 50) сколь угодно долго. Там происходят определенные диффузные процессы, которые формируют нашу структуру, которую мы ищем. Однако это занимает очень-очень много времени. Наша с вами задача, если мы хотим синтезировать этот материал, — каким-то способом помочь природе структурировать эту систему, чтобы железо занимало одни плоскости, следующие плоскости занимал никель, чтобы у нас с вами получился такой слоеный пирог.

Каким образом? Увеличить подвижность атомов. Мы подошли с точки зрения создания в структуре большой плотности дефектов. Создаем мы их интенсивными пластическими деформациями. Как показывает практика, это помогает. Помогает не очень быстро, не очень хорошо, однако мы наблюдаем формирование этой фазы в материалах после интенсивной пластической деформации. А дальше начинается определенная технология, каким способом наиболее быстро довести материал до нужного состояния, чтобы его можно было использовать где-то в промышленности или научных исследованиях. Это все очень интересно и имеет непосредственно прямой выход на практику.

Те материалы, которые наблюдаются или находятся в метеоритах, по большей части аналогичны материалам земного происхождения. Однако не всегда есть такое большое везение, которое позволяет обнаружить материалы со свойствами, отличными от тех, которые мы имеем на Земле. В частности, это углеродная структура. Недавно в метеорите, найденном в Австралии, были обнаружены две новые фазы алмазов. Это сверхтвердые алмазы, они тверже тех алмазов, которые существуют на Земле, и синтезировались как раз в этих экстремальных условиях, когда было огромное давление в результате какого-то импактного события, огромные температуры и процесс медленного охлаждения.

Кроме этого, очень большой интерес вызывают хондриты, углистые хондриты. Углерод — это элемент жизни. Существуют публикации, в которых обозначено нахождение или какие-то следы, какие-то объекты, схожие с цианобактериями, с какими-то простейшими грибами. Конечно, это можно трактовать по-разному, требуется еще дополнительное подтверждение, однако это имеет место. Также в метеоритах были найдены простейшие аминокислоты, которые могут входить в состав ДНК. Говорить о том, что в метеорите содержится ДНК, неправильно, однако там содержались элементы, которые являются основой жизни. Все это говорит о том, что материалы, синтезированные в космосе, на самом деле имеют очень серьезное значение в понимании мироздания, появлении жизни, в понимании того, какие могут быть свойства материалов и в каком направлении нам надо двигаться, если говорить о магнитных материалах.

Сергей Таскаев