Oamenii de știință au topit un diamant și au descoperit altceva decât prezicea teoria

Fizicienii au descoperit ce se întâmplă, cu adevărat, când un diamant se topește la presiuni extreme. Folosind unde de șoc laser, o echipă de cercetare de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL), SUA, condusă de Marius Millot a demonstrat că topirea diamantului infirmă predicțiile teoretice de până acum, deschizând o cale neașteptată pentru eficientizarea energiei de fuziune.

De la felul în care le sunt aranjați atomii în interior până la modul în care se formează — presiune și căldură intense în adâncul Pământului pentru diamant, frig pentru gheață — este dificil de imaginat două substanțe atât de diferite care să păstreze totuși o asemănare superficială.

Cu atât mai surprinzător este că diamantul, cel mai dur mineral natural cunoscut pe Pământ, se poate topi. Iar topirea se petrece într-un mod cu adevărat ciudat, potrivit echipei de fizicieni condusă de Marius Millot, de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL) din SUA.

Practic, diamantul își păstrează structura cristalină familiară până în momentul topirii, când atomii săi de carbon intră într-o stare de dezordine.

Studiul, publicat în jurnalul științific Nature Physics, corectează o eroare teoretică ce a persistat două decenii: temperatura reală de topire este cu peste 1.000 de grade mai mică decât indicau măsurătorile vechi, detaliu care, integrat în simulări, ar putea tripla câștigul de energie din reactoarele nucleare.

Ce se întâmplă când topești un diamant? O eroare teoretică de 20%

Topirea unui diamant nu e tocmai ușoară, dar de-a lungul anilor s-au realizat mai multe experimente în acest sens. În anul 2007, o echipă de oameni de știință a raportat topirea diamantului folosind un laser pentru a-l lovi cu o undă de șoc la o presiune de 750 de gigapascali — mai mult decât dublul presiunii din nucleul interior al Pământului și de 7,4 milioane de ori mai mare decât presiunea atmosferică la nivelul mării.

Experimentele ulterioare, detaliate într-un articol din 2009 și conduse de fizicianul Jon Eggert de la LLNL, au măsurat direct temperatura de topire a diamantului.

Pe măsură ce calculele teoretice s-au îmbunătățit, însă, a apărut o problemă: temperatura de topire obținută experimental diferea de predicțiile mecanicii cuantice cu aproximativ 20%.

„Indiferent ce au făcut teoreticienii – chiar și cu cele mai avansate tehnici de simulare pe computer – nu au reușit să reproducă experimentele”, a spus Millot.

Teoria prezicea o fază intermediară de carbon, numită BC8

Între timp, o altă întrebare rămăsese fără răspuns. Teoria prezicea că, la aproximativ un terapascal, rețeaua atomică strict ordonată a diamantului ar trebui să se transforme temporar într-o formă de carbon numită BC8, înainte de a se topi complet. Pentru context, faza BC8 este o structură ipotetică, considerată până acum de mecanica cuantică o etapă de tranziție obligatorie înainte ca rețeaua atomică ordonată a diamantului să devină lichidă.

Experimentele anterioare fuseseră chiar interpretate ca dovezi ale acestei tranziții, la presiuni de peste aproximativ 900 de gigapascali. Simulările mai recente sugerează însă că formarea BC8 ar putea fi prea dificil de realizat în timpul compresiei rapide.

Deși articolul din 2009 a demonstrat topirea diamantului la presiuni de până la 1,1 terapascali, experimentul nu a avut sensibilitatea necesară pentru a determina dacă faza BC8 prevăzută a apărut pe parcurs.

În anii care au urmat, tehnologia de observare a materiei în aceste condiții extreme și efemere s-a îmbunătățit considerabil. Așa că Millot și echipa sa au făcut o nouă încercare.

Noi șocuri laser, între 600 de gigapascali și 1,8 terapascali

Folosind instalația laser OMEGA de la Universitatea din Rochester, cercetătorii au generat unde de șoc prin probe minuscule de diamant, cu impulsuri laser puternice, obținând presiuni cuprinse între 600 de gigapascali și 1,8 terapascali.

În același timp, echipa a măsurat viteza de deplasare a undei de șoc, temperatura și reflectivitatea diamantului și — aspect crucial — a folosit raze X pentru a observa cum s-a modificat structura cristalină.

„Am reușit să luăm probe minuscule de diamant și să le comprimăm prin șoc la temperaturi mai ridicate decât suprafața Soarelui și la presiuni mai mari decât cele din centrul lui Neptun și Uranus – și totuși să măsurăm structura atomică, temperatura, densitatea și reflexivitatea optică”, a spus Millot.

Punctul de topire, cu peste 1.000 de grade mai jos decât arătau vechile măsurători

Noile măsurători au rezolvat problema temperaturii.

Acestea au stabilit temperatura de topire a diamantului la aproximativ 7.300 de kelvini, la o presiune de 1 terapascal — semnificativ mai puțin decât indicaseră vechile măsurători experimentale și în acord cu calculele teoretice care refuzaseră cu încăpățânare să se potrivească cu rezultatul anterior.

„Deși a fost frustrant să descoperim că măsurătorile noastre inițiale de temperatură erau eronate cu peste 1.000 de grade, este încântător să vedem o îmbunătățire atât de spectaculoasă a calității datelor cu noile noastre metode de diagnosticare”, a spus Eggert.

Structura cubică a rezistat până la topirea completă

Razele X au dezvăluit și ce s-a întâmplat cu structura cristalină a diamantului pe măsură ce se topea — iar aici lucrurile devin cu adevărat interesante.

Pe măsură ce cercetătorii creșteau presiunea, semnalul de difracție cu raze X al diamantului slăbea tot mai mult: rămânea din ce în ce mai puțin diamant cristalin, până când acesta a dispărut complet.

Însă, atâta timp cât echipa a mai putut detecta o structură atomică, aceasta a rămas în rețeaua cristalină cubică familiară. Cercetătorii nu au găsit niciun semn al unei faze BC8 substanțiale — diamantul solid și carbonul lichid au coexistat pur și simplu până la finalizarea procesului.

Explicația probabilă, sugerează ei, ține de mecanismele indicate de simulările anterioare. Deși carbonul ar putea prefera faza BC8 la presiunile implicate, obținerea acesteia necesită ruperea și rearanjarea legăturilor de carbon extrem de puternice ale diamantului — un proces care cere multă energie.

În condițiile efemere ale experimentului, diamantul pare să se topească înainte ca transformarea să poată avea loc.

„Credem că acest lucru se datorează faptului că proba nu are timp să se transforme atunci când este supusă unui singur șoc. Rămâne «prinsă» în structura de diamant.”, a spus Millot.

Diamantul solid ar putea pluti pe carbonul lichid

Și, destul de ciudat, tocmai aici diamantul începe să se comporte, până la urmă, puțin ca gheața.

La aceste presiuni extreme, diamantul solid are o densitate mai mică decât carbonul lichid în care se topește — la fel cum gheața obișnuită este mai puțin densă decât apa lichidă. Asta înseamnă că diamantul solid ar putea pluti pe o baltă de carbon topit.

Se produce și un alt efect contraintuitiv: pe o parte a intervalului de topire, creșterea presiunii scade de fapt temperatura la care se topește diamantul.

De la interiorul lui Uranus la țintele experimentelor de fuziune

Toate acestea sunt cu adevărat interesante și foarte ciudate, dar au și aplicații practice. Astfel de experimente ar putea oferi informații despre interiorul planetelor gigantice de gheață, precum Uranus și Neptun, unde carbonul ar putea fi supus unor condiții de presiune și temperatură similare celor recreate în laborator.

Mai aproape de noi, diamantul este utilizat în ținte pentru experimente de fuziune cu confinare inerțială, unde capsule minuscule de combustibil sunt comprimate sub presiuni la fel de enorme. Informații mai precise despre comportamentul carbonului pe măsură ce aceste ținte implodează ar putea, prin urmare, să îmbunătățească modelele computerizate folosite la proiectarea experimentelor de fuziune.

Într-adevăr, în simulările care au încorporat modelul actualizat al carbonului, cercetătorii au descoperit că un câștig de energie din fuziune prevăzut ar putea crește de până la trei ori.

„Cercetarea noastră indică faptul că am putea folosi șocuri inițiale puțin mai lente și totuși să obținem topirea completă a diamantului în imploziile noastre de la NIF. Acest lucru este interesant, deoarece un astfel de șoc mai lent ar face combustibilul de fuziune mai compresibil. La rândul său, acest lucru crește randamentul energetic maxim pe care l-am putea obține cu aceeași energie laser.”, a spus Millot.

Dincolo de paradoxul fizic în care diamantul solid plutește pe propriul lichid la fel ca gheața pe apă, experimentul echipei LLNL subliniază un aspect vital: înțelegerea modului în care reacționează carbonul la presiuni extreme nu doar că ne explică fenomenele din interiorul planetelor gigantice, dar reprezintă un pas esențial pentru stăpânirea fuziunii inerțiale (un procedeu de obținere a fuziunii nucleare) pe Pământ.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU