Naučnici su uspeli da istope dijamant pod ekstremnim pritiscima i temperaturama, ali je eksperiment doneo iznenađujuće otkriće. Suprotno ranijim teorijama, dijamant se tokom topljenja ne pretvara prethodno u drugu kristalnu strukturu, već svoju poznatu strukturu zadržava gotovo do samog kraja.
Rezultati istraživanja mogli bi da pomognu naučnicima da bolje razumeju šta se dešava u unutrašnjosti ledenih džinova poput Urana i Neptuna, ali i da unaprede eksperimente u oblasti nuklearne fuzije.
Istraživanje je predvodio fizičar Marius Mili iz Nacionalne laboratorije Lorens Livermor u SAD.
Dijamant je najtvrđi prirodni mineral poznat na Zemlji, ali ni on nije neuništiv. Da bi se istopio, potrebno ga je izložiti ekstremnim uslovima kakvi ne postoje na površini naše planete.
Još 2007. godine naučnici su uspeli da istope dijamant pomoću snažnog lasera. Uzorak je tada bio izložen udarnom talasu pri pritisku od oko 750 gigapaskala, više nego dvostruko većem od pritiska u unutrašnjem jezgru Zemlje i čak 7,4 miliona puta većem od atmosferskog pritiska na nivou mora.
Međutim, kasnija istraživanja otvorila su novo pitanje. Eksperimentalno izmerena temperatura topljenja nije se poklapala sa predviđanjima kvantne mehanike. Razlika je iznosila oko 20 odsto.
Naučnici su takođe očekivali da će dijamant, pre nego što se potpuno istopi, proći kroz jednu posebnu fazu ugljenika poznatu kao BC8. Prema teorijskim modelima, ta struktura trebalo je da se pojavi pri pritiscima od oko jednog terapaskala.
Novi eksperimenti, međutim, pokazuju da se to najverovatnije ne događa.
Dijamant se topi pre promene strukture
Tim naučnika koristio je lasersko postrojenje OMEGA na Univerzitetu u Ročesteru kako bi izuzetno male uzorke dijamanta izložio pritiscima između 600 gigapaskala i 1,8 terapaskala.
Istovremeno su pratili temperaturu, brzinu udarnog talasa, gustinu i reflektivnost materijala. Ključni deo eksperimenta bilo je korišćenje rendgenskih zraka, pomoću kojih su mogli direktno da posmatraju promene u atomskoj strukturi dijamanta.
Uslovi su bili ekstremni. Uzorci su dostizali temperature veće od temperature površine Sunca, dok su pritisci bili veći od onih koji vladaju u središtu Urana i Neptuna.
Nova merenja rešila su i dugogodišnju dilemu o temperaturi topljenja dijamanta. Pri pritisku od jednog terapaskala, dijamant se topi na oko 7.300 kelvina. Ta vrednost je znatno niža od ranijih eksperimentalnih rezultata i mnogo bolje odgovara teorijskim proračunima.
"Iako je bilo frustrirajuće otkriti da su naša prvobitna merenja temperature bila pogrešna za više od 1.000 stepeni, uzbudljivo je videti tako dramatično poboljšanje kvaliteta podataka sa našim novim dijagnostičkim metodama", rekao je fizičar Džon Eger.
Još zanimljiviji rezultat dobijen je analizom kristalne strukture.
Kako je pritisak rastao, signal rendgenske difrakcije postajao je sve slabiji, što je pokazivalo da se količina čvrstog kristalnog dijamanta smanjuje. Međutim, sve dok je bilo moguće detektovati strukturu materijala, ona je ostajala u karakterističnoj kubnoj kristalnoj rešetki.
Naučnici nisu pronašli značajan dokaz da se dijamant pretvara u BC8 fazu.
Drugim rečima, čvrsti dijamant i tečni ugljenik postojali su istovremeno tokom procesa topljenja, bez prethodnog prelaska u očekivanu međufazu.
Zašto dijamant nema vremena da promeni strukturu?
Objašnjenje se verovatno krije u brzini samog eksperimenta.
Iako bi ugljenik pod ekstremnim pritiskom mogao da bude stabilniji u BC8 strukturi, prelazak iz kristalne rešetke dijamanta u takvu fazu zahteva raskidanje i ponovno formiranje izuzetno jakih veza između atoma ugljenika.
To zahteva značajnu količinu energije i vreme za promenu rasporeda atoma.
Pošto se tokom eksperimenta ekstremni uslovi stvaraju veoma brzo, dijamant praktično nema dovoljno vremena da promeni strukturu. Umesto toga, on se istopi dok još zadržava svoju prvobitnu kristalnu formu.
"Smatramo da je to zato što uzorak nema vremena da se promeni kada je izložen samo jednom udaru. On ostaje 'zarobljen' u strukturi dijamanta", objasnili su istraživači.
Eksperiment je otkrio još jednu neobičnu osobinu. Pri određenim ekstremnim pritiscima čvrsti dijamant je manje gust od tečnog ugljenika koji nastaje njegovim topljenjem.
To znači da bi, u teorijskom smislu, čvrsti dijamant mogao da "pluta" na rastopljenom ugljeniku, slično kao što led pluta na vodi.
Još neobičnije je to što se u određenom delu opsega pritiska temperatura topljenja dijamanta smanjuje kako pritisak raste.
Šta ovo govori o Uranu i Neptunu?
Rezultati nisu značajni samo za proučavanje dijamanta.
Uran i Neptun, poznati kao ledeni džinovi, imaju unutrašnjost u kojoj vladaju ekstremni pritisci i temperature. Naučnici smatraju da bi ugljenik u takvim uslovima mogao da prolazi kroz veoma neobične faze i procese.
Novi eksperimentalni podaci omogućavaju preciznije modele ponašanja ugljenika u dubokoj unutrašnjosti ovih planeta.
Ali moguće posledice istraživanja idu i mnogo dalje.
Dijamant i potraga za energijom iz nuklearne fuzije
Dijamant se koristi i u eksperimentima takozvane inercijalne fuzije. U tim eksperimentima male kapsule sa gorivom obavijene su materijalom koji se pomoću snažnih lasera sabija do ekstremnih pritisaka, kako bi se pokrenula nuklearna fuzija.
Bolje razumevanje ponašanja ugljenika pod takvim uslovima moglo bi da unapredi računarske modele koji se koriste za projektovanje eksperimenata.
Kada su istraživači u svoje simulacije uključili nove podatke o ponašanju ugljenika, dobili su procenu da bi energetski dobitak iz fuzije mogao da bude povećan čak tri puta.
"Naš rad ukazuje na to da bismo mogli da koristimo nešto sporije početne udare i da i dalje postignemo potpuno topljenje dijamanta u našim implozijama u Nacionalnom postrojenju za paljenje", rekao je Mili.
Sporiji udar mogao bi da omogući veću kompresiju goriva, što bi potencijalno povećalo količinu energije dobijene iz istog laserskog impulsa.
Tako je eksperiment u kojem su naučnici "samo" istopili dijamant zapravo otvorio nova pitanja o ponašanju materije u dubinama udaljenih planeta, ali i mogućnostima razvoja nuklearne fuzije kao izvora energije budućnosti.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature Physics.
(M.A./EUpravo zato/rts.rs)
