Wszystko po to, by dowiedzieć się, jak materiał ten zachowuje się tuż przed stopieniem. O rezultatach przeprowadzonych eksperymentów czytamy na łamach Nature Physics. Jak się okazuje, w takich okolicznościach fizycy zakończyli trwający od dwóch dekad spór między eksperymentami a symulacjami komputerowymi.
Badacze poddali niewielkie próbki diamentu ciśnieniom sięgającym wartości około trzykrotnie wyższych niż ciśnienie panujące w jądrze Ziemi. W tym samym czasie materiał był rozgrzewany do temperatur przekraczających temperaturę powierzchni Słońca. Tak ekstremalne warunki utrzymywały się zaledwie około miliardowej części sekundy. Mimo to naukowcom udało się zarejestrować kluczowe informacje dotyczące struktury atomowej, temperatury, gęstości i właściwości optycznych diamentu. Szczególnie istotne były pomiary dyfrakcji rentgenowskiej, które pozwoliły bezpośrednio sprawdzić, co dzieje się z uporządkowaną strukturą kryształu podczas topnienia.
Dotychczasowe badania wskazywały na nietypowe zachowanie diamentu. Około 20 lat temu eksperymenty prowadzone przez zespół Jon Eggerta ujawniły, że po stopieniu jego gęstość rośnie. Oznacza to, iż w warunkach wysokiego ciśnienia stały diament może zachowywać się podobnie do lodu unoszącego się na wodzie. W efekcie skrystalizowany węgiel mógłby unosić się na ciekłym węglu.
Problemem pozostawała jednak temperatura topnienia. Wcześniejsze pomiary różniły się od wyników najbardziej zaawansowanych symulacji kwantowo-mechanicznych nawet o około 20 procent, co odpowiadało różnicy przekraczającej 1000 stopni. Nowe eksperymenty pozwoliły zamknąć tę lukę. Uzyskana temperatura topnienia niemal idealnie zgadza się z przewidywaniami teoretycznymi. Jednocześnie badacze rozwiązali drugi problem. Wcześniejsze eksperymenty sugerowały, że przed przejściem w stan ciekły diament może przechodzić przez dodatkową fazę krystaliczną.
Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że podczas pojedynczego, gwałtownego uderzenia próbka pozostaje w strukturze diamentu aż do momentu stopienia. Takie odkrycie może mieć bezpośrednie znaczenie dla przyszłości energetyki termojądrowej. W eksperymentach prowadzonych w National Ignition Facility miniaturowe kapsuły wykonane z diamentu otaczają paliwo fuzyjne. Potężne impulsy laserowe powodują ich implozję, prowadząc do powstania warunków niezbędnych do zapoczątkowania fuzji.
Czytaj też: 750 Wh/kg i rok niemal bez utraty energii. Chiny zbudowały baterię na trudne misje
Aby kapsuła stopiła się równomiernie i nie wprowadzała niedoskonałości do implozji, naukowcy stosują obecnie stosunkowo silny pierwszy impuls. Nowe wyniki sugerują, że można byłoby zastosować nieco wolniejszy wstrząs, który nadal doprowadziłby do całkowitego stopienia diamentu. Dzięki temu paliwo mogłoby zostać bardziej ściśnięte, a uzyskana energia byłaby znacznie większa. Według przewidywań w sprzyjających warunkach zysk energetyczny może wzrosnąć nawet trzykrotnie.
Badania mają również znaczenie dla planetologii. Uran i Neptun, nazywane lodowymi olbrzymami, skrywają wnętrza niedostępne bezpośrednim obserwacjom. Jedna z hipotez zakłada, że w ich głębokich warstwach węgiel może krystalizować pod ogromnym ciśnieniem, tworząc tzw. diamentowy deszcz.
Źródło: Nature Physics
