Diamantul este cunoscut drept cel mai dur mineral natural de pe Pământ, însă nici măcar această structură extrem de rezistentă nu este imposibil de distrus. O echipă de fizicieni a reușit să urmărească în detaliu ce se întâmplă cu diamantul atunci când este supus unor presiuni și temperaturi uriașe, iar rezultatele au rezolvat o problemă care îi preocupa de ani de zile pe cercetători.
Experimentul a arătat că diamantul poate rămâne în structura sa cristalină obișnuită aproape până în momentul topirii. În loc să treacă mai întâi într-o altă formă solidă de carbon, așa cum sugerau unele calcule teoretice, diamantul pare să treacă direct de la structura cristalină la carbon lichid în condițiile extrem de rapide ale experimentului.
Cercetarea a fost realizată de fizicieni conduși de Marius Millot, de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), folosind instalația laser OMEGA de la University of Rochester.
Diamantul nu este invincibil
În condiții obișnuite, diamantul pare aproape imposibil de distrus. Structura sa este formată din atomi de carbon legați într-o rețea cristalină extrem de rezistentă. Pentru a-l topi este nevoie însă de condiții cu mult dincolo de ceea ce poate fi întâlnit pe suprafața Pământului.
Cercetătorii au folosit impulsuri laser extrem de puternice pentru a genera unde de șoc care au traversat mostre minuscule de diamant. Presiunile obținute au variat între aproximativ 600 de gigapascali și 1,8 terapascali.
Pentru comparație, un terapascal reprezintă de un milion de ori presiunea atmosferică de la nivelul mării. În cadrul experimentului, oamenii de știință au reușit să supună diamantul unor presiuni mai mari decât cele din centrul unor planete precum Uranus și Neptun și unor temperaturi mai ridicate decât cea de la suprafața Soarelui.
Dar scopul nu a fost doar să demonstreze că diamantul se poate topi. Cercetătorii au vrut să afle exact ce se întâmplă cu structura sa atomică în momentul în care trece în stare lichidă.
O problemă veche de aproape două decenii
Primele experimente care au demonstrat topirea diamantului în condiții extreme au fost realizate cu ani în urmă. În 2007, o echipă de cercetători a reușit să topească diamantul folosind lasere și unde de șoc la presiuni de aproximativ 750 de gigapascali.
Doi ani mai târziu, cercetătorii de la Lawrence Livermore National Laboratory au măsurat direct temperatura de topire a diamantului.
A apărut însă o problemă.
Pe măsură ce modelele teoretice și simulările cuantice au devenit mai sofisticate, calculele nu mai reușeau să reproducă rezultatele experimentale. Diferența dintre temperatura de topire măsurată în experimente și cea indicată de calculele teoretice ajunsese la aproximativ 20%.
Cercetătorii au încercat să găsească explicația, însă simulările, chiar și cele mai avansate, nu reușeau să explice rezultatele obținute în laborator.
Noul experiment pare să fi rezolvat această discrepanță.
Temperatura de topire este mai mică decât se credea
Prin intermediul unor instrumente de măsurare mai performante, echipa a stabilit că diamantul se topește la aproximativ 7.300 de kelvini și la o presiune de 1 terapascal.
Noua valoare este semnificativ mai mică decât cea rezultată din vechile măsurători experimentale și se potrivește mult mai bine cu predicțiile teoretice.
Unul dintre cercetătorii implicați în proiect, Jon Eggert, a remarcat că noile rezultate reprezintă o îmbunătățire importantă a calității datelor, după ce măsurătorile inițiale indicau o temperatură cu peste 1.000 de grade mai mare.
Ce se întâmplă cu diamantul înainte să se topească?
Aici se află una dintre cele mai interesante concluzii ale cercetării.
Unele teorii sugerau că, la presiuni de aproximativ un terapascal, diamantul ar trebui să treacă temporar într-o altă formă solidă de carbon, cunoscută drept BC8, înainte de a se transforma în lichid.
Experimentele anterioare sugeraseră chiar existența acestei tranziții la presiuni de peste 900 de gigapascali.
Noile observații nu au găsit însă dovezi pentru apariția unei faze BC8 semnificative.
Cercetătorii au folosit raze X pentru a urmări structura atomică a diamantului în timp ce presiunea creștea. Semnalul caracteristic structurii cristaline a devenea treptat mai slab, indicând faptul că diamantul se topea.
Totuși, atât timp cât a putut fi detectată o structură atomică organizată, aceasta a rămas rețeaua cubică specifică diamantului.
Apoi, semnalul a dispărut complet.
Cu alte cuvinte, în condițiile extrem de rapide ale experimentului, diamantul pare să rămână diamant până în momentul topirii.
De ce nu apare forma BC8?
Explicația propusă de cercetători are legătură cu viteza fenomenului.
Pentru ca diamantul să treacă în faza BC8, legăturile extrem de puternice dintre atomii de carbon trebuie rupte și atomii trebuie reorganizați într-o nouă structură.
Acest proces necesită energie și timp.
În experiment, presiunea și temperatura cresc atât de rapid, încât structura diamantului nu are suficient timp să se reorganizeze. Astfel, materialul poate ajunge la topire înainte de a realiza tranziția către BC8.
Marius Millot explică fenomenul prin faptul că mostra nu are timp să se schimbe atunci când este supusă unei singure unde de șoc, rămânând practic „blocată” în structura diamantului.
O asemănare surprinzătoare cu gheața
Deși diamantul și gheața nu au aproape nimic în comun din punct de vedere al structurii atomice sau al modului în care se formează, experimentul a scos la iveală o proprietate surprinzătoare care le apropie.
În anumite condiții extreme, diamantul solid este mai puțin dens decât carbonul lichid rezultat prin topire.
Asta înseamnă că, în principiu, diamantul solid ar putea pluti pe un „lac” de carbon topit.
Fenomenul amintește de comportamentul apei: gheața este mai puțin densă decât apa lichidă și, din acest motiv, plutește.
Există și o altă consecință neobișnuită. Într-o anumită parte a intervalului de topire, creșterea presiunii poate duce chiar la scăderea temperaturii de topire a diamantului.
Ce legătură are experimentul cu Uranus și Neptun?
Cercetarea nu are doar valoare teoretică.
Rezultatele îi pot ajuta pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine ceea ce se întâmplă în interiorul planetelor gigantice de gheață, în special Uranus și Neptun.
În interiorul acestor planete există presiuni și temperaturi uriașe, iar carbonul poate fi expus unor condiții comparabile cu cele recreate în laborator.
Înțelegerea comportamentului carbonului la asemenea presiuni poate contribui, astfel, la modelele folosite pentru descrierea interiorului acestor lumi îndepărtate.
Descoperirea ar putea ajuta și cercetarea fuziunii nucleare
O altă aplicație potențială este mult mai apropiată de tehnologia terestră: fuziunea nucleară prin confinare inerțială.
În astfel de experimente, mici capsule cu combustibil sunt comprimate cu ajutorul unor impulsuri laser foarte puternice. Diamantul este folosit în anumite tipuri de ținte, iar comportamentul său în timpul comprimării este esențial pentru modelele care încearcă să prezică rezultatul experimentelor.
Prin obținerea unor date mai precise despre felul în care carbonul se comportă la presiuni și temperaturi extreme, cercetătorii pot îmbunătăți aceste modele.
Iar rezultatul este potențial important: simulările care folosesc noul model pentru carbon indică faptul că energia obținută în anumite experimente de fuziune ar putea crește chiar de până la trei ori.
Cercetătorii subliniază însă că este vorba despre rezultate ale simulărilor, nu despre demonstrarea unei creșteri de trei ori a energiei într-un experiment de fuziune.
Noua cercetare oferă, în schimb, o imagine mult mai clară asupra comportamentului diamantului în unele dintre cele mai extreme condiții pe care oamenii le pot reproduce în laborator. Iar concluzia este una cât se poate de spectaculoasă: chiar și unul dintre cele mai dure materiale cunoscute poate fi transformat în lichid, dar o face într-un mod mult mai ciudat decât se credea.
VEZI ȘI – Italienii numesc apa în care se fierb pastele „aurul lichid”: acest bucătar din Milano explică de ce