Milion atmosfer i prawie 4000 stopni Celsjusza. Warunki jak z kosmicznego piekła
Eksperyment przeprowadzony w europejskim ośrodku EuXFEL wymagał osiągnięcia parametrów, które trudno nazwać innym słowem niż ekstremalne. Naukowcy musieli wytworzyć ciśnienie około 100 GPa, czyli milion razy wyższe niż to, które otacza nas na Ziemi. Do tego doszły temperatury przekraczające 3700 stopni Celsjusza. Jak zauważają członkowie zespołu badawczego, ciekły węgiel jest istotny dla modelowania wnętrz planet i atmosfer białych karłów, jako stan pośredni do syntezy zaawansowanych materiałów węglowych, implozji w inercyjnej fuzji jądrowej.
Do wytworzenia tych niewyobrażalnych warunków uczeni wykorzystali laser wysokiej energii DiPOLE 100-X, generujący fale uderzeniowe w próbkach węgla szklistego. Kluczowe okazało się zastosowanie dyfrakcji rentgenowskiej in situ, pozwalającej obserwować strukturę materiału w czasie rzeczywistym. Wyniki eksperymentu zaskoczyły samych badaczy. Okazało się, że ciekły węgiel to niezwykle skomplikowany płyn z przejściowymi wiązaniami, gdzie każdy atom ma średnio około czterech najbliższych sąsiadów. Stan całkowicie ciekły osiągnięto przy ciśnieniu 160 GPa (z dokładnością ±14) i temperaturze około 7000 stopni Celsjusza. Obserwowane przemiany fazowe zachodziły w sposób fascynujący. Przy około 76 GPa węgiel szklisty zaczynał częściowo przekształcać się w diament krystaliczny, by ostatecznie stopnieć do stanu całkowicie ciekłego. Zmiana objętości między fazami wyniosła około 7 procent. Badacze określili również precyzyjne parametry strukturalne: pierwsza liczba koordynacyjna wyniosła 3,78, a druga 17. Te wartości idealnie pasowały do przewidywań teoretycznych, co potwierdza rosnącą precyzję współczesnych symulacji komputerowych.
Nowe światło na budowę planet i przyszłość ekstremalnych badań
Odkrycie ma poważne konsekwencje dla astrofizyki. Ciekły węgiel prawdopodobnie występuje w jądrach planet takich jak Uran czy Neptun, a także w atmosferach białych karłów. Dotychczas naukowcy mogli jedynie spekulować na temat właściwości tego materiału. Entropia topnienia szacowana jest na około 20 J na mol na Kelvin, a ciepło utajone na około 130 kJ na mol. Te parametry są kluczowe dla modelowania procesów zachodzących we wnętrzach planet i gwiazd. Badanie otwiera także nowe możliwości w dziedzinie syntezy zaawansowanych materiałów węglowych. Lepsze zrozumienie zachowania węgla w ekstremalnych warunkach może przyczynić się do rozwoju technologii produkcji nanorurek czy nanodiamentów.
Czytaj też: Układ okresowy wkrótce może się powiększyć. Chiński przełom w syntezie pierwiastków superciężkich
Naukowcy planują kontynuację badań z jeszcze większą precyzją. Zbieranie większej ilości danych pozwoli na dokładniejsze określenie struktury ciekłego węgla i innych lekkich pierwiastków w ekstremalnych warunkach. Odkrycie potwierdza również skuteczność nowoczesnych metod obliczeniowych opartych na teorii funkcjonału gęstości. Symulacje DFT-MD okazały się niezwykle precyzyjne w przewidywaniu właściwości materii przy ciśnieniach około 100 GPa i podwyższonych temperaturach. Pionierski eksperyment niemieckich naukowców stanowi pierwszy krok w kierunku pełnego zrozumienia zachowania materii w najbardziej ekstremalnych warunkach we wszechświecie. Może to ostatecznie doprowadzić do przełomów w technologiach fuzyjnych i naszym rozumieniu procesów planetarnych, choć na praktyczne zastosowania przyjdzie nam jeszcze poczekać.