Istopili dijamant, pa ostali u čudu: Naučnici otkrili nešto što nisu očekivali!

Novo istraživanje pokazalo da se dijamant topi bez prelaska u predviđenu kristalnu fazu, a rezultati bi mogli da pomognu u proučavanju planeta koje su poznate kao ledeni divovi, i poboljšanju eksperimenata nuklearne fuzije.

Saznanje da dijamant, najtvrđi prirodni mineral poznat na Zemlji, može da se istopi može biti iznenađujuće. Ipak, čak i tada dijamant pokazuje veoma neobično ponašanje, prema timu fizičara predvođenom Mariusom Miloom iz Nacionalne laboratorije "Lorens Livermor" (LLNL) u SAD.

U suštini, dijamant zadržava svoju poznatu kristalnu strukturu sve do trenutka topljenja, kada njegovi atomi ugljenika prelaze u neuređeno stanje.

- Smatramo da je to zato što uzorak nema vremena da se promeni kada je izložen samo jednom udaru - kaže Milo.

- On ostaje ’zarobljen’ u strukturi dijamanta - pišu istraživači.

Nije nimalo lako istopiti dijamant, ali je tokom godina to uspelo u nekoliko eksperimenata.

Još 2007. godine tim naučnika izvestio je da je istopio dijamant tako što ga je laserom izložio udarnom talasu pri pritisku od 750 gigapaskala, što je više nego dvostruko većem od pritiska koji vlada u unutrašnjem jezgru Zemlje i 7,4 miliona puta većem od atmosferskog pritiska na nivou mora.

Naknadni eksperimenti, opisani u radu iz 2009. godine koji je predvodio fizičar LLNL-a Džon Eger, direktno su izmerili temperaturu topljenja dijamanta.

Međutim, kako su se teorijski proračuni poboljšavali, pojavio se problem: eksperimentalno izmerena temperatura topljenja razlikovala se od predviđanja kvantne mehanike za oko 20 odsto.

- Bez obzira na to šta su teoretičari radili čak i sa najnaprednijim tehnikama kompjuterskih simulacija nisu mogli da ponove eksperimente - kaže Milo.

U međuvremenu je ostalo bez odgovora još jedno pitanje. Teorija je predviđala da bi, pri pritisku od oko jednog terapaskala, strogo uređena atomska rešetka dijamanta trebalo privremeno da pređe u oblik ugljenika poznat kao BC8, pre nego što se materijal potpuno istopi.

Raniji eksperimenti čak su tumačeni kao dokaz da se ovaj prelaz dešava iznad oko 900 gigapaskala.

Međutim, novije simulacije ukazivale su da bi stvaranje BC8 faze moglo da bude suviše teško tokom brzog sabijanja.

Iako je rad iz 2009. godine pokazao topljenje dijamanta pri pritiscima do 1,1 terapaskala, eksperiment nije bio dovoljno detaljan da utvrdi da li se predviđena BC8 faza pojavljuje tokom procesa.

Pixabay/ luen wantisud

U godinama koje su usledile, tehnologija za posmatranje materije u ovim kratkotrajnim ekstremnim uslovima značajno je napredovala. Zato su Milo i njegov tim ponovo pokušali.

Koristeći lasersko postrojenje OMEGA na Univerzitetu u Ročesteru, istraživači su snažnim laserskim impulsima stvarali udarne talase kroz veoma male uzorke dijamanta, proizvodeći pritiske između 600 gigapaskala i 1,8 terapaskala.

Istovremeno su merili brzinu kretanja udarnog talasa, temperaturu i reflektivnost dijamanta, a, što je bilo ključno, koristili su i rendgenske zrake kako bi posmatrali promene u kristalnoj strukturi.

- Uspeli smo da uzmemo male uzorke dijamanta i izložimo ih udarnoj kompresiji do temperatura viših od temperature površine Sunca i do pritisaka viših od onih u centru Neptuna i Urana,  i da pri tom i dalje merimo atomsku strukturu, temperaturu, gustinu i optičku reflektivnost - kaže Milo.

Nova merenja rešila su problem sa temperaturom.

Pokazala su da je temperatura topljenja dijamanta oko 7.300 kelvina pri pritisku od jednog terapaskala, što je značajno niže od starih eksperimentalnih merenja i u dobroj saglasnosti sa teorijskim proračunima koji uporno nisu mogli da se usklade sa starim rezultatom.

- Iako je bilo frustrirajuće otkriti da su naša prvobitna merenja temperature bila pogrešna za više od 1.000 stepeni, uzbudljivo je videti tako dramatično poboljšanje kvaliteta podataka sa našim novim dijagnostičkim metodama - kaže Eger.

Rendgenski snimci otkrili su i šta se dešava sa kristalnom strukturom dijamanta tokom topljenja, i upravo tu rezultat postaje posebno zanimljiv.

Kako su istraživači povećavali pritisak, signal rendgenske difrakcije dijamanta postepeno je slabio. To je ukazivalo na to da je tokom topljenja ostajalo sve manje kristalnog dijamanta, sve dok signal nije potpuno nestao.

Međutim, sve dok je tim mogao da detektuje atomsku strukturu, ona je i dalje bila u poznatoj kubnoj kristalnoj rešetki.

Istraživači nisu pronašli dokaz o značajnoj BC8 fazi. Čvrsti dijamant i tečni ugljenik jednostavno su postojali istovremeno sve dok proces nije bio završen. Istraživači smatraju da je to verovatno posledica mehanizama koje su predložile ranije simulacije.

Iako bi ugljenik pri pritiscima o kojima je reč mogao da „preferira“ BC8 fazu, njeno formiranje zahteva prekid i ponovno raspoređivanje izuzetno snažnih veza između atoma ugljenika. To je energetski zahtevan proces.

U kratkotrajnim uslovima eksperimenta, dijamant se, kako izgleda, istopi pre nego što ta transformacija može da se dogodi. I tu dijamant, pomalo neobično, počinje da se ponaša slično ledu.

Pri ovim ekstremnim pritiscima, čvrsti dijamant je manje gust od tečnog ugljenika u koji se topljenjem pretvara, slično kao što je običan led manje gust od tečne vode. To znači da bi čvrsti dijamant mogao da pluta na površini rastopljenog ugljenika.

Postoji i još jedan kontraintuitivan efekat: u delu opsega topljenja, povećanje pritiska zapravo snižava temperaturu na kojoj se dijamant topi.

Sve ovo je neobično, ali istraživanje ima i praktične primene. Ovakvi eksperimenti mogli bi da pruže informacije o unutrašnjosti planeta ledenih divova, poput Urana i Neptuna, gde ugljenik može da bude izložen uslovima pritiska i temperature sličnim onima koji su ponovljeni u eksperimentu.

Bliže Zemlji, međutim, dijamant se koristi u metama za eksperimente inercijalne konfinacione fuzije, u kojima se male kapsule sa gorivom sabijaju pod slično ogromnim pritiscima.

Preciznije informacije o tome kako se ugljenik ponaša dok se takve mete urušavaju mogle bi zato da poboljšaju kompjuterske modele koji se koriste za projektovanje eksperimenata fuzije.

U simulacijama koje su uključivale ažurirani model ponašanja ugljenika, istraživači su utvrdili da bi predviđeni dobitak energije iz fuzije mogao da se poveća i do tri puta.

- Naš rad ukazuje na to da bismo mogli da koristimo nešto sporije početne udare i da i dalje postignemo potpuno topljenje dijamanta u našim implozijama u Nacionalnom postrojenju za paljenje - kaže Milo.

- Ovo je uzbudljivo jer bi takav sporiji udar omogućio veću kompresibilnost goriva. To zauzvrat povećava maksimalni energetski prinos koji bismo mogli da dobijemo sa istom energijom lasera.

Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature Physics.

Bonus video

Instalirajte našu iOS ili android aplikaciju – 24sedam Vest koja vredi