Dijamant se smatra najtvrđim prirodnim mineralom na Zemlji, ali novi eksperiment pokazao je da čak i ovaj izuzetno čvrst materijal ima granicu. Naučnici su ga izložili ekstremnim pritiscima i temperaturama višim od površine Sunca, a rezultat je doveo u pitanje ranije pretpostavke o tome šta se s njegovom kristalnom strukturom događa neposredno prije topljenja.
Tim fizičara predvođenih Mariusom Miloom iz Nacionalne laboratorije „Lawrence Livermore“ izložio je male uzorke dijamanta udarnim talasima pri pritiscima između 600 gigapaskala i 1,8 terapaskala. To su uslovi kakvi vladaju duboko u unutrašnjosti ledenih divova poput Urana i Neptuna.
Dijamant se nije pretvorio u očekivani oblik ugljika
Prema ranijim teorijskim modelima, očekivalo se da će dijamant pri pritisku od približno jednog terapaskala prije topljenja preći u drugu kristalnu strukturu ugljika poznatu kao BC8 faza.
Međutim, eksperimenti nisu pronašli uvjerljiv dokaz da se takva transformacija dogodila.
Istraživači su koristili lasersko postrojenje OMEGA na Univerzitetu u Rochesteru i istovremeno pratili temperaturu, pritisak, brzinu udarnog talasa i atomsku strukturu materijala.
Rezultati su pokazali da je temperatura topljenja dijamanta pri pritisku od jednog terapaskala oko 7.300 kelvina. To je znatno niže od nekih ranijih eksperimentalnih procjena i bliže teorijskim predviđanjima.
Dijamant se istopio prije promjene strukture
Najzanimljiviji dio eksperimenta dogodio se tokom praćenja kristalne strukture pomoću rendgenskih zraka.
Kako je pritisak i temperatura rasla, signal koji je pokazivao prisustvo kristalne strukture postajao je sve slabiji, a zatim je potpuno nestao.
Međutim, dok god je struktura bila mjerljiva, atomi su ostajali raspoređeni u poznatoj kubnoj rešetki dijamanta. BC8 faza nije se pojavila na način koji bi potvrdio ranija predviđanja.
Jedno od mogućih objašnjenja jeste da se dijamant jednostavno topi prije nego što njegovi atomi imaju dovoljno vremena da raskinu postojeće veze i prerasporede se u novu kristalnu strukturu.
Drugim riječima, materijal može ostati dijamant sve do trenutka kada se njegova struktura raspadne i pređe u tečno stanje.
Još jedan paradoks: čvrsti dijamant može biti lakši od tečnog ugljika
Eksperiment je pokazao još jednu izuzetno neobičnu osobinu ugljika pod ekstremnim pritiscima.
U određenom području uslova čvrsti dijamant može imati manju gustinu od tečnog ugljika. To podsjeća na vodu i led: led je manje gust od tečne vode, zbog čega može plutati.
Teoretski, u takvim ekstremnim uslovima čvrsti dijamant bi mogao plutati na površini rastopljenog ugljika.
Još neobičnije je što povećanje pritiska u određenom rasponu može dovesti do snižavanja temperature potrebne za topljenje dijamanta.
Otkriće važno i za nuklearnu fuziju
Iako zvuči kao istraživanje rezervisano za ekstremnu fiziku materijala, rezultati bi mogli imati vrlo praktičnu primjenu.
Dijamant se koristi za izradu meta u eksperimentima inercijalne konfinacijske fuzije, u kojima se mikroskopske kapsule sa gorivom sabijaju ogromnim pritiscima kako bi se pokrenula reakcija fuzije.
Preciznije razumijevanje ponašanja ugljika omogućava naučnicima da naprave bolje kompjuterske modele i preciznije planiraju eksperimente.
Prema istraživačima, kada su novi podaci uključeni u modele, simulacije su pokazale da bi procijenjeni energetski dobitak u određenim eksperimentima fuzije mogao biti i do tri puta veći.
Rezultati takođe mogu pomoći u razumijevanju unutrašnjosti Urana i Neptuna, gdje se ugljik može nalaziti u uslovima koji su nezamislivo ekstremni u poređenju sa onima na Zemlji.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature Physics.