Udar laserskog pulsa pretvorio je sićušan uzorak dijamanta u tekući ugljik pri tlaku od približno jednog terapaskala. Ekstremni uvjeti trajali su tek nekoliko milijarditih dijelova sekunde, dovoljno dugo da istraživači izmjere što se s dijamantom događa pri temperaturama i tlakovima usporedivima s onima duboko u ledenim divovima.
Rezultati, objavljeni u časopisu Nature Physics, riješili su dugogodišnji nesklad između ranijih mjerenja i suvremenih računalnih proračuna. Pokazali su i da čvrsti dijamant pri takvim uvjetima može biti manje gust od rastaljenog metalnog ugljika. Na njemu bi plutao poput leda na vodi.
Mjerenja bi mogla poboljšati modele unutrašnjosti Urana i Neptuna, u kojima se već dugo razmatra nastanak i tonjenje dijamanata. Važna su i za pokuse nuklearne fuzije jer se dijamant upotrebljava za izradu kapsula s fuzijskim gorivom.
Laserski udar stvorio tlak od jednog terapaskala
Pokus je izveden u Laboratoriju za lasersku energetiku Sveučilišta Rochester. Istraživači su snažnim laserskim pulsom zagrijali vanjsku površinu uzorka, koja je naglo isparila. Pritom je nastao udarni val koji je sabio ostatak dijamanta na približno jedan terapaskal, odnosno bilijun paskala.
Na vrhuncu pokusa temperatura se približila 7300 kelvina, što je više od temperature vidljive površine Sunca. Takvo se stanje održalo samo nanosekundama. Istraživači su u tom kratkom vremenu rendgenskom difrakcijom pratili raspored atoma, dok su drugim instrumentima mjerili temperaturu, gustoću, brzinu udarnog vala i optička svojstva uzorka.
Raniji pokusi i teorijski proračuni nisu se slagali oko temperature taljenja dijamanta; razlika je u nekim slučajevima prelazila tisuću kelvina. Povezivanjem podataka o atomskoj strukturi, temperaturi i gustoći istraživači su napokon uskladili pokus sa suvremenim kvantnomehaničkim proračunima i preciznije odredili granicu između čvrstog i tekućeg ugljika.
Eksperiment nije pokazao ni ranije predviđeni prijelaz dijamanta u kristalnu strukturu poznatu kao BC8. Dijamant je zadržao uobičajenu strukturu sve do početka taljenja.
Čvrsti dijamant može plutati na rastaljenom ugljiku
Većina krutih tvari gušća je od vlastite taline, no voda je dobro poznata iznimka: led je manje gust pa pluta. Prema novim mjerenjima, ugljik se pri iznimno visokim tlakovima ponaša na sličan način. Čvrsti dijamant bio bi manje gust od tekućeg metalnog ugljika koji ga okružuje.
Razlika u gustoći važna je za modele dubokih slojeva ledenih divova. Ugljik ondje pri određenim tlakovima i temperaturama može kristalizirati u dijamant, a nastali kristali tonuti kroz slojeve vode, metana i amonijaka. Dosegnu li područje tekućeg metalnog ugljika, dijamanti bi se zbog manje gustoće mogli zadržati na njegovoj površini.
Takav proces popularno se naziva “dijamantnom kišom”. Još nije izravno opažen unutar Urana ili Neptuna, a nova studija ne potvrđuje da se ondje odvija upravo na opisani način. Preciznije određuje uvjete u kojima dijamant ostaje stabilan i počinje se taliti, pa planetolozima daje bolje podatke za izračune prijenosa topline i gibanja materijala u unutrašnjosti planeta.
Takvi su podaci posebno vrijedni jer je sastav ledenih divova i dalje slabo poznat. Voyager 2 jedina je letjelica koja ih je posjetila, a mjerenja sa Zemlje ne mogu izravno otkriti njihove najdublje slojeve. Čak i osnovne pretpostavke o građi planeta još se preispituju; noviji modeli, primjerice, pokazuju da bi Uran i Neptun mogli sadržavati znatno više metana nego što se donedavno pretpostavljalo.
Zašto je taljenje dijamanta važno za nuklearnu fuziju
Rezultat ima praktičnu primjenu i u pokusima nuklearne fuzije. Pri inercijskom zatočenju gorivo se nalazi u sićušnoj kapsuli, često izrađenoj od dijamanta. Snažni laserski impulsi moraju je sabiti gotovo savršeno ravnomjerno kako bi se u središtu postigli uvjeti potrebni za spajanje atomskih jezgara.
Ako se dijamant tijekom sabijanja počne taliti prerano ili neravnomjerno, nastaju nestabilnosti koje smanjuju količinu energije prenesene na gorivo. Precizniji podatak o temperaturi taljenja omogućuje istraživačima da bolje odrede snagu i trajanje početnog laserskog impulsa.
Prema izračunima istraživačkog tima, takva bi prilagodba mogla utrostručiti energiju oslobođenu iz goriva. Procjena se odnosi na računalni model i pretpostavlja da će se istodobno ograničiti drugi izvori nestabilnosti i gubitaka.
Fuzijske pokuse i dalje ograničavaju brojni drugi gubici i nestabilnosti, no nova mjerenja uklanjaju jednu važnu nepoznanicu. Isti podaci sada se mogu ugraditi u dvije vrlo različite vrste modela: one koji opisuju dijamantne kapsule u laboratoriju i one kojima se pokušava rekonstruirati unutrašnjost planeta udaljenih milijardama kilometara.
