Uhlík při tlaku, který je pětkrát vyšší než tlak zemského jádra, překonává rekord ve formování krystalů

Uhlík, čtvrtý nejpočetnější prvek ve vesmíru, je stavebním kamenem všech známých forem života a je také látkou, která se nachází ve vnitřku exoplanet bohatých na uhlík.

Desítky let rozsáhlých výzkumů vědců ukázaly, že krystalová struktura uhlíku má zásadní vliv na jeho vlastnosti. Vedle grafitu a diamantu, což jsou dvě nejběžnější uhlíkové struktury nalezené při okolních tlacích, vědci předpovídali mnoho nových struktur uhlíku, které lze nalézt při tlacích vyšších než 1 000 gigapascalů (GPa). Tyto tlaky, asi 2,5krát Tlak V jádru Země je to relevantní pro modelování exoplanet, ale nebylo možné ho dosáhnout v laboratoři.

To je zatím. V rámci Discovery Science Program, který umožňuje akademickým vědcům přístup k LLNL’s Leading National Ignition Facility (NIF), mezinárodní tým vědců vedený LLNL a Oxfordskou univerzitou úspěšně měřil uhlík při tlacích až 2 000 GPa (5násobek tlaku , což je téměř dvojnásobek maximálního tlaku, při kterém byla krystalová struktura přímo zkoumána. Výsledky byly dnes hlášeny v Příroda.

„Překvapivě jsme za těchto podmínek objevili, že uhlík se nepřeměňuje na žádné z očekávaných stádií, ale udržuje diamantovou strukturu na svém nejvyšším tlaku,“ uvedla Amy Genie, fyzikka z LLNL, hlavní autorka studie. „Stejné vazby mezi super-silnými atomy (které vyžadují vysoké energie lomu) odpovědné za stabilní diamantovou strukturu uhlíku, které přetrvávají neurčitě při okolním tlaku, také pravděpodobně zabrání jeho transformaci nad 1000 GPa v našich experimentech.“

Akademickou složku této spolupráce vedl profesor Justin Wark z Oxfordské univerzity, který ocenil politiku otevřeného přístupu laboratoře.

„Vědecký program NIF Discovery Science je pro akademickou komunitu velmi přínosný,“ uvedl. „Nejen, že to umožňuje zavedené fakultě možnost předložit návrhy experimentů, které by jinde nebylo možné provést, ale co je důležitější, dává to postgraduálním studentům, kteří jsou špičkovými vědci budoucnosti, příležitost pracovat ve zcela jedinečném zařízení. „

Tým – který zahrnoval také vědce z University of Rochester Laser Energy Laboratory (LLE) a University of York – využil jedinečného vysokého výkonu a energie NIF a přesného tvarování laserových pulzů ke stlačení uhlíkové oceli na 2 000 GPa pomocí laser s pulzním sklonem. To jim umožnilo měřit krystalovou strukturu pomocí rentgenové difrakční platformy a pořizovat nanosekundový snímek atomové mřížky. Tyto experimenty téměř zdvojnásobily standardní vysoký tlak, při kterém byla rentgenová difrakce zaznamenána na jakémkoli materiálu.

Vědci zjistili, že i když je vystaven těmto extrémním podmínkám, pevný uhlík si zachovává svou diamantovou strukturu daleko od očekávaného systému stability, což potvrzuje předpovědi, že síla molekulárních vazeb v diamantech pokračuje pod obrovským tlakem. Výsledkem jsou velké energetické bariéry, které brání přeměně na jiné uhlíkové struktury.

„Zda příroda našla způsob, jak překonat vysokou energetickou bariéru a vytvořit očekávané fáze ve vnitřních částech exoplanet, zůstává otevřenou otázkou,“ řekla Jenny. Další měření využívající alternativní tlakovou cestu nebo zahájení zakořenění z uhlík S atomovým Budova Který vyžaduje méně energie na nové uspořádání, poskytne větší přehled. “