Откритието дека дијамантот, најтврдиот природен минерал познат на Земјата, може да се стопи може да дојде како изненадување. Сепак, дури и тогаш, дијамантот покажува многу необично однесување, според тим физичари предводен од Мариус Мило од Националната лабораторија „Лоренс Ливермор“ (LLNL) во САД.

Во суштина, дијамантот ја задржува својата позната кристална структура сè до моментот на топење, кога неговите јаглеродни атоми преминуваат во неуредна состојба.

„Мислиме дека ова е така бидејќи примерокот нема време да се промени кога е изложен само на еден удар“, вели Мило. „Тој останува „заробен“ во дијамантската структура“, пишуваат истражувачите.

Не е лесно да се стопи дијамант, но тоа било успешно во неколку експерименти низ годините.

Во 2007 година, тим научници објавија дека стопиле дијамант со негово изложување на ласерски ударен бран под притисок од 750 гигапаскали, повеќе од двојно поголем притисок во внатрешното јадро на Земјата и 7,4 милиони пати поголем од атмосферскиот притисок на ниво на море.

Последователните експерименти, опишани во труд од 2009 година, предводен од физичарот од LLNL, Џон Егер, директно ја измериле точката на топење на дијамантот.

Сепак, како што се подобруваа теоретските пресметки, се појави проблем: експериментално измерената температура на топење се разликуваше од предвидувањата на квантната механика за околу 20 проценти.

„Без разлика што правеле теоретичарите – дури и со најнапредните техники на компјутерска симулација – тие не можеле да ги реплицираат експериментите“, вели Мило.

Дијамантот требаше да премине во втората фаза

Во меѓувреме, друго прашање остана неодговорено. Теоријата предвидуваше дека, при притисок од околу еден терапаскал, цврсто подредената атомска решетка на дијамантот треба привремено да премине во форма на јаглерод позната како BC8, пред материјалот целосно да се стопи.

Поранешните експерименти беа протолкувани дури и како доказ дека овој премин се случува над околу 900 гигапаскали.

Сепак, поновите симулации покажаа дека формирањето на фазата BC8 може да биде премногу тешко за време на брза компресија.

Иако еден труд од 2009 година покажа топење на дијаманти при притисоци до 1,1 терапаскали, експериментот не беше доволно детален за да се утврди дали предвидената фаза BC8 се појавила за време на процесот.

Во годините што следеа, технологијата за набљудување на материјата во овие краткотрајни екстремни услови значително напредна. Затоа Мило и неговиот тим се обидоа повторно.

Користејќи го ласерскиот објект OMEGA на Универзитетот во Рочестер, истражувачите користеле моќни ласерски импулси за да создадат ударни бранови низ многу мали примероци од дијаманти, создавајќи притисоци помеѓу 600 гигапаскали и 1,8 терапаскали.

Во исто време, тие ја измериле брзината на ударниот бран, температурата и рефлективноста на дијамантот, и, што е клучно, користеле и Х-зраци за да ги набљудуваат промените во кристалната структура.

„Успеавме да земеме мали примероци од дијаманти и да ги подложиме на шок компресија на температури повисоки од површинската температура на Сонцето и на притисоци повисоки од оние во центарот на Нептун и Уран, а сепак да ја измериме атомската структура, температурата, густината и оптичката рефлективност“, вели Мило.

Новите мерења го решија проблемот со температурата.

Тие покажаа дека точката на топење на дијамантот е околу 7.300 Келвини при притисок од еден терапаскал, што е значително пониско од старите експериментални мерења и е во добра согласност со теоретските пресметки кои упорно не можеа да се помират со стариот резултат.

„Иако беше фрустрирачки да се открие дека нашите првични мерења на температурата отстапуваат за повеќе од 1.000 степени, возбудливо е да се види толку драматично подобрување на квалитетот на податоците со нашите нови дијагностички методи“, вели Егер.

Дијамантот се топи пред да може да ја промени својата структура

Рентгенските зраци, исто така, открија што се случува со кристалната структура на дијамантот за време на топењето, и тука резултатот станува особено интересен.

Како што истражувачите го зголемувале притисокот, сигналот за дифракција на Х-зраците на дијамантот постепено ослабувал. Ова укажувало дека за време на процесот на топење останувал сè помалку кристален дијамант, сè додека сигналот целосно не исчезнал.

Сепак, сè додека тимот можеше да ја детектира атомската структура, таа сè уште беше во познатата кубна кристална решетка.

Истражувачите не пронајдоа докази за значајна фаза BC8. Цврстиот дијамант и течниот јаглерод едноставно постоеле истовремено сè додека процесот не бил завршен. Истражувачите веруваат дека ова веројатно се должи на механизмите предложени од претходните симулации.

Иако јаглеродот при предметните притисоци може да ја „преферира“ фазата BC8, неговото формирање бара раскинување и преуредување на екстремно силни врски меѓу јаглеродните атоми. Ова е процес кој бара многу енергија.

Под краткорочните услови на експериментот, се чини дека дијамантот се топи пред да се случи оваа трансформација. И тогаш дијамантот, малку чудно, почнува да се однесува како мраз.

При овие екстремни притисоци, цврстиот дијамант е помалку густ од течниот јаглерод во кој се топи, слично како што обичниот мраз е помалку густ од течната вода. Ова значи дека цврстиот дијамант би можел да лебди на површината на стопен јаглерод.

Исто така, постои уште еден контраинтуитивен ефект: во дел од опсегот на топење, зголемувањето на притисокот всушност ја намалува температурата на која се топи дијамантот.

Резултатите би можеле да помогнат и во истражувањето на нуклеарна фузија

Сето ова е необично, но истражувањето има и практична примена. Ваквите експерименти би можеле да обезбедат информации за внатрешноста на ледените џиновски планети, како што се Уран и Нептун, каде што јаглеродот може да биде изложен на услови на притисок и температура слични на оние реплицирани во експериментот.

Сепак, поблиску до Земјата, дијамантот се користи во цели за експерименти со инерцијална фузија, во кои малите капсули за гориво се компресираат под сличен огромен притисок.

Попрецизните информации за тоа како се однесува јаглеродот додека таквите цели се колабираат би можеле да ги подобрат компјутерските модели што се користат за дизајнирање експерименти со фузија.

Во симулациите што вклучуваа ажуриран модел на однесување на јаглеродот, истражувачите открија дека предвиденото енергетско добивка од фузија може да се зголеми до три пати.

„Нашата работа сугерира дека би можеле да користиме малку побавни почетни удари и сепак да постигнеме целосно топење на дијамантите во нашите имплозии во Националниот погон за палење“, вели Мило.

„Ова е возбудливо бидејќи толку побавен удар би овозможил поголема компресибилност на горивото. Ова пак го зголемува максималниот принос на енергија што би можеле да го добиеме со истата ласерска енергија.“

Истражувањето е објавено во списанието „Nature Physics“ .