Научници истопили дијамант, али је експеримент донео неочекиван резултат

Сазнање да дијамант, најтврђи природни минерал познат на Земљи, може да се истопи може бити изненађујуће. Ипак, чак и тада дијамант показује веома необично понашање, према тиму физичара предвођеном Мариусом Милоом из Националне лабораторије „Лоренс Ливермор“ (ЛЛНЛ) у САД.

У суштини, дијамант задржава своју познату кристалну структуру све до тренутка топљења, када његови атоми угљеника прелазе у неуређено стање.

„Сматрамо да је то зато што узорак нема времена да се промени када је изложен само једном удару“, каже Мило. „Он остаје ’заробљен’ у структури дијаманта", пишу истраживачи.

Није нимало лако истопити дијамант, али је током година то успело у неколико експеримената.

Још 2007. године тим научника известио је да је истопио дијамант тако што га је ласером изложио ударном таласу при притиску од 750 гигапаскала, што је више него двоструко већем од притиска који влада у унутрашњем језгру Земље и 7,4 милиона пута већем од атмосферског притиска на нивоу мора.

Накнадни експерименти, описани у раду из 2009. године који је предводио физичар ЛЛНЛ-а Џон Егер, директно су измерили температуру топљења дијаманта.

Међутим, како су се теоријски прорачуни побољшавали, појавио се проблем: експериментално измерена температура топљења разликовала се од предвиђања квантне механике за око 20 одсто.

„Без обзира на то шта су теоретичари радили — чак и са најнапреднијим техникама компјутерских симулација — нису могли да понове експерименте“, каже Мило.

Дијамант је требало да пређе у другу фазу

У међувремену је остало без одговора још једно питање. Теорија је предвиђала да би, при притиску од око једног терапаскала, строго уређена атомска решетка дијаманта требало привремено да пређе у облик угљеника познат као BC8, пре него што се материјал потпуно истопи.

Ранији експерименти чак су тумачени као доказ да се овај прелаз дешава изнад око 900 гигапаскала.

Међутим, новије симулације указивале су да би стварање BC8 фазе могло да буде сувише тешко током брзог сабијања.

Иако је рад из 2009. године показао топљење дијаманта при притисцима до 1,1 терапаскала, експеримент није био довољно детаљан да утврди да ли се предвиђена BC8 фаза појављује током процеса.

У годинама које су уследиле, технологија за посматрање материје у овим краткотрајним екстремним условима значајно је напредовала. Зато су Мило и његов тим поново покушали.

Користећи ласерско постројење ОМЕГА на Универзитету у Рочестеру, истраживачи су снажним ласерским импулсима стварали ударне таласе кроз веома мале узорке дијаманта, производећи притиске између 600 гигапаскала и 1,8 терапаскала.

Истовремено су мерили брзину кретања ударног таласа, температуру и рефлективност дијаманта, а, што је било кључно, користили су и рендгенске зраке како би посматрали промене у кристалној структури.

„Успели смо да узмемо мале узорке дијаманта и изложимо их ударној компресији до температура виших од температуре површине Сунца и до притисака виших од оних у центру Нептуна и Урана,  и да при том и даље меримо атомску структуру, температуру, густину и оптичку рефлективност“, каже Мило.

Нова мерења решила су проблем са температуром.

Показала су да је температура топљења дијаманта око 7.300 келвина при притиску од једног терапаскала, што је значајно ниже од старих експерименталних мерења и у доброј сагласности са теоријским прорачунима који упорно нису могли да се ускладе са старим резултатом.

„Иако је било фрустрирајуће открити да су наша првобитна мерења температуре била погрешна за више од 1.000 степени, узбудљиво је видети тако драматично побољшање квалитета података са нашим новим дијагностичким методама“, каже Егер.

Дијамант се топи пре него што успе да промени структуру

Рендгенски снимци открили су и шта се дешава са кристалном структуром дијаманта током топљења, и управо ту резултат постаје посебно занимљив.

Како су истраживачи повећавали притисак, сигнал рендгенске дифракције дијаманта постепено је слабио. То је указивало на то да је током топљења остајало све мање кристалног дијаманта, све док сигнал није потпуно нестао.

Међутим, све док је тим могао да детектује атомску структуру, она је и даље била у познатој кубној кристалној решетки.

Истраживачи нису пронашли доказ о значајној BC8 фази. Чврсти дијамант и течни угљеник једноставно су постојали истовремено све док процес није био завршен. Истраживачи сматрају да је то вероватно последица механизама које су предложиле раније симулације.

Иако би угљеник при притисцима о којима је реч могао да „преферира“ BC8 фазу, њено формирање захтева прекид и поновно распоређивање изузетно снажних веза између атома угљеника. То је енергетски захтеван процес.

У краткотрајним условима експеримента, дијамант се, како изгледа, истопи пре него што та трансформација може да се догоди. И ту дијамант, помало необично, почиње да се понаша слично леду.

При овим екстремним притисцима, чврсти дијамант је мање густ од течног угљеника у који се топљењем претвара, слично као што је обичан лед мање густ од течне воде. То значи да би чврсти дијамант могао да плута на површини растопљеног угљеника.

Постоји и још један контраинтуитиван ефекат: у делу опсега топљења, повећање притиска заправо снижава температуру на којој се дијамант топи.

Резултати би могли да помогну и истраживању нуклеарне фузије

Све ово је необично, али истраживање има и практичне примене. Овакви експерименти могли би да пруже информације о унутрашњости планета ледених дивова, попут Урана и Нептуна, где угљеник може да буде изложен условима притиска и температуре сличним онима који су поновљени у експерименту.

Ближе Земљи, међутим, дијамант се користи у метама за експерименте инерцијалне конфинационе фузије, у којима се мале капсуле са горивом сабијају под слично огромним притисцима.

Прецизније информације о томе како се угљеник понаша док се такве мете урушавају могле би зато да побољшају компјутерске моделе који се користе за пројектовање експеримената фузије.

У симулацијама које су укључивале ажурирани модел понашања угљеника, истраживачи су утврдили да би предвиђени добитак енергије из фузије могао да се повећа и до три пута.

„Наш рад указује на то да бисмо могли да користимо нешто спорије почетне ударе и да и даље постигнемо потпуно топљење дијаманта у нашим имплозијама у Националном постројењу за паљење“, каже Мило.

„Ово је узбудљиво јер би такав спорији удар омогућио већу компресибилност горива. То заузврат повећава максимални енергетски принос који бисмо могли да добијемо са истом енергијом ласера.“

Истраживање је објављено у часопису Nature Physics.