Диамантът се топи под екстремно налягане по начин, който сега е много близък до квантово-базирани симулации, разрешавайки спор, продължил около 20 години. Рентгеновите измервания показват, че познатият диамантен кристал оцелява до разтопяване, вместо първо да се промени в теоретично предложената форма BC8 след прилагането на ударно компресиране.
Ревизираните условия на топене биха могли да позволят по-слаби начални шокове в експериментите с термоядрен синтез, потенциално увеличавайки производството на енергия, а също така могат да усъвършенстват моделите на "диамантен дъжд" вътре в ледените гигантски планети.
Диамантът може да оцелее при условия, които биха унищожили повечето материали, но под огромното налягане, използвано в експериментите с термоядрен синтез, той в крайна сметка се поддава и разтопява. Нови измервания сега установяват как се случва това топене, разрешавайки 20-годишно разминаване между експерименти и теория.
Работата на изследователи от Националната лаборатория "Лорънс Ливърмор" (LLNL - Lawrence Livermore National Laboratory) проследява диамант, който ударно се компресира до налягане от около един терапаскал, приблизително три пъти по-високо от условията в ядрото на Земята. Експериментите също така демонстрират налягане над очакваното във вътрешността на Нептун и Уран.
20-годишна температурна разлика се затваря
Изследователи от LLNL изучават диаманти под екстремно налягане в продължение на десетилетия. Преди около 20 години Джон Егерт (Jon Eggert) и колегите му откриват, че диамантът става по-плътен, когато се топи под високо налягане, което е необичайно поведение за повечето материали.
Скица на конфигурацията на диамантите мишени и диагностиката за затихващи (а) и стационарни (b) ударни налягания. Кредит: Marius Millot et al, Nature Physics
Тези ранни експерименти са създали упорит проблем. Измерените температури на топене се различават от теоретичните прогнози с приблизително 20%, или около 1500 келвина при по-късни сравнения. Усъвършенстваните симулации не успяват да възпроизведат експерименталните стойности.
Друг проблем идва от работата в Националните лаборатории на Сандия (Sandia National Laboratories). Тези резултати са интерпретирани като възможно доказателство, че диамантът се трансформира в различна кристална фаза, наречена BC8, преди да се разтопи.
Новите експерименти на LLNL си поставят за цел да се справят директно с двата спора.
Рентгеновите лъчи разкриват атомната структура на диаманта на границата на топене
В лазерния център "Омега" към Лабораторията за лазерна енергетика към Университета в Рочестър, изследователи са изстреляли мощни ултравиолетови лазерни импулси към проби от синтетични диаманти. Лазерите са предизвикали ударни вълни през материала.
Компресираните състояния са продължили само около една милиардна част от секундата. През този интервал екипът е измерил скоростта на ударната вълна, отражателната способност, топлинното излъчване и рентгеновата дифракция, които разкриват атомната структура.
"Това беше първият път, когато диамант, подложен на ударно компресиране, беше изследван с рентгенова дифракция чак до топене", заявява ученият от LLNL Мариус Мийо (Marius Millot). "Тези измервания са изключително трудни, защото въглеродът е малък и лек атом. Той разсейва много малко рентгенови лъчи, така че сигналът, който трябваше да измерим, беше доста слаб."
Екипът провежда 12 експеримента с постоянна ударна вълна и седем експеримента, използващи модерни вълни, които отслабват, докато преминават през пробата.
Измерванията показват широка област на топене. Между около 750 и 1000 гигапаскала, шоковата температура леко намалява с повишаване на налягането, което е пряко доказателство за крива на топене с отрицателен наклон. Температурите се задържат близо до 7000 келвина.
Отражателната способност също се повишава рязко с усилването на ударната вълна, което показва по-голяма електропроводимост в течния въглерод. В същото време рентгеновата дифракция от кристалната проба отслабва около десет пъти и се приближава до нула близо до 24,2 ± 0,2 километра в секунда.
Заедно тези сигнали съвпадат много добре със симулациите, базирани на квантово-механични изчисления .
"Въпреки че беше разочароващо да открием, че първоначалните ни измервания на температурата са се отклонили с повече от 1000 градуса, е вълнуващо да видим такова драматично подобрение в качеството на данните с нашата нова диагностика", коментира Егерт. "Още по-хубаво е, че първоначалното ни заключение за топене вече е потвърдено директно с рентгенова дифракция."
Диамантът си остава диамант, докато не се разтопи
Рентгеновите данни също така разглеждат предполагаемата междинна кристална фаза.
Отражателна способност и температура на ударната вълна, включително данни с изведена скорост на ударната вълна. Кредит: Marius Millot et al, Nature Physics
Изследователите откриват убедителни доказателства, че компресираното твърдо вещество е запазило обичайната си кубична диамантена структура чак до топенето. Приписването на измерения дифракционен пик на BC8 води до стойности на плътността с около 30% по-различни от по-ранни измервания.
Екипът също така не открива допълнителни дифракционни линии, очаквани от значително количество BC8.
Този резултат противоречи на по-ранни интерпретации, които поставяха преход към BC8 над приблизително 875 до 900 гигапаскала. Но той е в съответствие с молекулярно-динамичните симулации, предполагащи, че силните въглеродни връзки създават енергийна бариера, която предотвратява пренареждането по време на единична ударна вълна.
"Смятаме, че това е така, защото пробата няма време да се промени, когато претърпява само едно ударна вълна. Тя остава "заклещена" в диамантената структура", обяснява Мийо.
Експериментите са продължили само няколко наносекунди. По-ранно проучване, предполагащо BC8 преход, включва шоков транзит с продължителност около 40 наносекунди. Авторите казват, че разликата във времевата скала може да помогне за съгласуване на резултатите.
По-слабо първо ударно компресиране може да увеличи производството на термоядрен синтез
Измерванията на топенето са от пряко значение за инерционния синтез в Националното съоръжение за запалване (National Ignition Facility - NIF).
Плътност на ударната вълна спрямо налягане. XRD данни (черен ромб) и прогноза за твърдия компонент (черно-кафява линия). Кредит: Marius Millot et al, Nature Physics
NIF използва диамантени капсули с милиметров мащаб, съдържащи замразен деутерий-тритиев горивен слой. Лазери задвижват капсулата навътре със скорости над 400 километра в секунда. Имплозията в крайна сметка създава налягане над 30 петапаскала и температури над 100 милиона келвина.
Съвременните конструкции използват първата ударна вълна е, по-силна от 1,2 терапаскала, за да гарантират пълното разтопяване на диаманта. Гладката течна обвивка помага за ограничаване на несъвършенствата по време на имплозия.
Новите данни показват, че пълното топене може да се случи при по-слаба начална ударна вълна. Това би позволило път на компресия с по-ниска ентропия и би направило горивото за термоядрен синтез по-свиваемо.
"Нашата работа показва, че бихме могли да използваме малко по-бавни начални ударни имплозии и все пак да постигнем пълно топене на диаманта в нашите NIF имплозии", разказва Мийо. "Това е вълнуващо, защото такава по-бавна ударна имплозия би направила горивото за синтез по-свиваемо. Това от своя страна увеличава максималния енергиен добив, който бихме могли да получим със същата лазерна енергия."
Моделите, цитирани от екипа, показват, че по-високата компресия може да утрои освободената енергия от термоядрен синтез в сравнение със сегашните конструкции, при условие че могат да се контролират други механизми на разграждане.
Практически последици от изследването
Ревизираната крива на топене дава на изследователите на термоядрения синтез по-солидна основа за избор на силата и времето на ударите, които задвижват диамантените капсули. Това може да позволи по-висока компресия без увеличаване на лазерната енергия, въпреки че прогнозираното усилване все пак зависи от контролирането на други източници на загуба на производителност.
Сравнение на кривите на твърда, течна и многофазна фаза, които са местоположенията на ударно компресирани състояния за диамант с начална плътност ρ0 = 3.515 g/cm3. Кредит: Marius Millot et al, Nature Physics
Измерванията също така предоставят по-точни показатели за симулации на въглерод под екстремно налягане.
За планетарната наука резултатите обхващат налягания, по-големи от тези вътре в Нептун и Уран . Това дава на изследователите по-добри експериментални ограничения за модели, в които въглеродът кристализира дълбоко в ледените гиганти и пада през техните вътрешности като "диамантен дъжд".
LLNL планира да използва NIF, за да изследва по-труднодостъпни условия, включително компресия от множество удари. Тези експерименти биха могли да проверят къде познатата диамантена структура най-накрая губи стабилност и как капсулата се държи по време на по-късните етапи на имплозия на термоядрен синтез.
Справка: Millot, M., Coppari, F., Lazicki, A. et al. Diamond melting in shock compression experiments at 1 TPa pressures. Nat. Phys. (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03413-1
Източник: Diamond’s extreme melting point could unlock more fusion energy, The Brighter Side of News
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Ще спре ли смъртта на момиче китайския възход в генното редактиране
dolivo
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Bai Tanas
Защо бамята е толкова слузеста?
БотоксПутю
В скална формация на Марс е открит органичен въглерод