Topirea diamantului a fost măsurată, pentru prima dată, cu difracție de raze X până în momentul exact în care rețeaua cristalină dispare. Rezultatul, publicat în revista Nature Physics, aduce două surprize: temperatura de topire e mult mai mică decât indica un experiment de referință din 2009, iar cel mai dur material natural refuză să treacă printr-o fază intermediară pe care teoria o prezice de decenii.
Experimentele au fost făcute la Omega Laser Facility din Rochester, statul New York, unde fizicienii au bombardat mostre de diamant sintetic cu impulsuri laser puternice, urmărind structura atomică în timp ce presiunea urca spre un terapascal, adică o mie de miliarde de pascali. Diamantul a rămas diamant, cu aceeași aranjare cubică a atomilor de carbon, până în clipa în care rețeaua s-a dizolvat direct în lichid. Efectul e comparabil cu un cub de gheață care devine instantaneu zeamă, fără nicio etapă intermediară.
Cât de fierbinte trebuie să fie topirea diamantului
Cifra centrală a studiului: aproximativ 7.300 de kelvini, adică circa 7.000 de grade Celsius, la o presiune de aproximativ un terapascal – de aproape 10 milioane de ori presiunea atmosferică la nivelul mării. Valoarea este cu peste 1.000 de grade Celsius mai mică decât estimarea experimentală acceptată până acum și se apropie foarte mult de ceea ce preziceau simulările numerice moderne.
„Am putut să luăm mostre minuscule de diamant și să le comprimăm prin șoc la temperaturi mai ridicate decât suprafața Soarelui și la presiuni mai mari decât în centrul lui Neptun și Uranus – și tot am reușit să măsurăm structura atomică, temperatura, densitatea și reflectivitatea optică”, a declarat Marius Millot, fizician la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) și autor principal al studiului, într-un comunicat citat de ZME Science.
O nepotrivire de 1.500 de kelvini, rezolvată în miliardimi de secundă
Diamantul fusese topit și înainte. Un experiment de referință publicat în Nature Physics în 2009 arătase că, la presiuni enorme, carbonul trece într-un fluid neobișnuit de dens și conductor electric, mai dens decât solidul din care provine. Problema era temperatura: estimarea de atunci nu se potrivea cu simulările, iar diferența ajungea la aproximativ 1.500 de kelvini. Teoreticienii au rafinat calculele ani la rând, fără să închidă golul.
Echipa lui Millot a rulat 12 experimente cu unde de șoc aproape constante și șapte cu șocuri care se atenuau pe măsură ce traversau mostra. Impulsurile laser au generat presiuni între aproximativ 600 și 1.800 de gigapascali, iar starea comprimată a existat doar câteva nanosecunde. În acel interval, instrumentele au înregistrat viteza șocului, luminozitatea și reflectivitatea materialului, în timp ce razele X au citit structura atomică.
„A fost prima dată când diamantul comprimat prin șoc a fost investigat prin difracție de raze X până la topire”, a explicat Millot. „Măsurătorile sunt extrem de dificile, pentru că atomul de carbon e mic și ușor. Împrăștie foarte puține raze X, așa că semnalul pe care trebuia să îl măsurăm era destul de slab.”
Între aproximativ 750 și 1.000 de gigapascali s-a observat un efect contraintuitiv: temperatura măsurată scădea ușor pe măsură ce presiunea creștea, rămânând în jurul valorilor de 7.200–7.400 de kelvini, în timp ce reflectivitatea urca brusc, semn că apărea tot mai mult carbon lichid metalic. În acest interval, carbonul lichid este mai dens decât diamantul solid, ceea ce înseamnă că, în principiu, un cristal de diamant ar putea pluti pe carbon topit, exact așa cum gheața plutește pe apă.
Faza BC8 nu apare, oricât ai strânge
A doua enigmă ține de o formă ipotetică de carbon la presiuni extreme, numită BC8. Calculele spun că BC8 ar trebui să devină, la un moment dat, mai stabilă decât diamantul cubic obișnuit, iar experimente anterioare fuseseră interpretate ca semn că tranziția începe în jurul a 900 de gigapascali.
Măsurătorile noi arată altceva. Pe măsură ce topirea avansa, semnalul de difracție al cristalului a scăzut de aproximativ zece ori, apropiindu-se de zero, dar atât cât a existat, densitatea și tiparul de difracție corespundeau diamantului obișnuit. Dacă semnalul ar fi fost atribuit fazei BC8, densitatea rezultată s-ar fi abătut cu circa 30% de la măsurătorile anterioare, iar liniile suplimentare de difracție așteptate pentru o fază BC8 consistentă nu au apărut deloc.
„Credem că se întâmplă asta pentru că mostra nu are timp să se schimbe atunci când trece printr-un singur șoc. Rămâne blocată în structura de diamant”, a spus Millot. Concluzia se potrivește cu un experiment publicat în Nature în 2021, în care diamantul a fost comprimat până la două terapascale fără să își schimbe structura cristalină. Un studiu din Physical Review Letters din 2023 sugerase deja o soluție: un al doilea șoc, cronometrat cu grijă, ar putea împinge atomii de carbon pe un traseu diferit, către BC8. Cu alte cuvinte, nu doar presiunea și temperatura decid soarta carbonului, ci și drumul parcurs până acolo și timpul pe care atomii îl au la dispoziție ca să se rearanjeze.
De la ploaia de diamante la reactoarele cu laser
Implicațiile practice trec dincolo de fizica fundamentală. La National Ignition Facility, combustibilul de fuziune este închis într-o capsulă de diamant extrem de netedă, pe care fasciculele laser o împing spre interior cu peste 400 de kilometri pe secundă. În prezent, inginerii folosesc un prim șoc relativ puternic, de peste 1,2 terapascali, tocmai ca să fie siguri că diamantul se topește complet și uniform. Curba de topire revizuită sugerează că un prim șoc mai slab ar fi suficient, ceea ce ar păstra combustibilul mai compresibil și ar permite o implozie finală mai densă. Modelările autorilor indică faptul că, dacă și celelalte surse de pierdere sunt ținute în frâu, câștigul ar putea ajunge până la de trei ori mai multă energie de fuziune decât în configurațiile actuale. Detalii despre instalație și despre programul de fuziune prin confinare inerțială sunt publicate de Lawrence Livermore National Laboratory, iar studiul complet a apărut în Nature Physics.
Există și o miză planetară. Din anii 1980, cercetătorii bănuiesc că presiunile din interiorul lui Uranus și Neptun forțează materialul bogat în carbon să se separe și să cristalizeze, fenomen popularizat drept „ploaie de diamante”. Cele două planete conțin amestecuri complicate de apă, metan și amoniac, nu diamant pur, dar noile măsurători oferă repere clare pentru modelele care descriu unde rămâne diamantul solid, unde începe să se topească și cum circulă carbonul în interiorul giganților de gheață.
Dacă te interesează cât de departe a ajuns tehnologia care exploatează proprietățile diamantului, am scris și despre bateriile din diamant cu autonomie de mii de ani și despre un mineral extraterestru mai dur decât diamantul. Pe partea de fuziune, merită recitit și cum „soarele artificial” al Chinei a depășit o barieră considerată imposibilă.
Surse: studiul publicat în Nature Physics, comunicatul Lawrence Livermore National Laboratory și declarațiile lui Marius Millot, preluate de ZME Science.
