Η επιστημονική κοινότητα σημείωσε ένα σημαντικό ορόσημο στην κατανόηση της φύσης του άνθρακα. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Rostock και το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) κατάφεραν για πρώτη φορά να μελετήσουν πειραματικά τον υγρό άνθρακα, χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό υψηλής ισχύος laser και του υπερ-βραχυχρόνιου laser ακτίνων Χ του European XFEL. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature, αποκάλυψαν την ύπαρξη δομών που μοιάζουν με διαμάντι και προσέφεραν ακριβέστερη εκτίμηση του σημείου τήξης του στοιχείου.
Ο υγρός άνθρακας αποτελεί εξαιρετικά δύσκολο αντικείμενο μελέτης, καθώς υπό κανονική πίεση δεν λιώνει αλλά μετατρέπεται απευθείας σε αέριο. Η τήξη του επιτυγχάνεται μόνο υπό ακραίες πιέσεις και σε θερμοκρασίες περίπου 4.500 βαθμών Κελσίου, η υψηλότερη σημειακή τήξη οποιουδήποτε γνωστού υλικού, γεγονός που καθιστούσε ανέφικτη τη μελέτη του σε συμβατικά εργαστήρια. Η χρήση laser υψηλής ισχύος επέτρεψε τη στιγμιαία συμπίεση του στερεού άνθρακα, δημιουργώντας υγρό για κλάσματα του δευτερολέπτου, αρκετά για να ληφθούν ακριβείς μετρήσεις.
Η καινοτομία του πειράματος στηρίχθηκε στη μοναδική συνεργασία του DIPOLE100-X laser υψηλής ισχύος με τον υπερ-βραχύ παλμό ακτίνων Χ του European XFEL. Το σύστημα αυτό, διαθέσιμο σε ερευνητές παγκοσμίως μέσω του HIBEF User Consortium, επέτρεψε τη συνδυαστική χρήση laser συμπίεσης και υπερ-γρήγορης ανάλυσης ακτίνων Χ σε μεγάλη κλίμακα για πρώτη φορά. Κατά τη διάρκεια κάθε πειράματος, οι παλμοί laser διαπερνούν το δείγμα άνθρακα, λειώνοντάς το για μερικά νανοδευτερόλεπτα, ενώ ταυτόχρονα φωτίζεται με ακτίνες Χ. Οι διαθλάσεις που προκύπτουν από τη διάταξη των ατόμων επιτρέπουν στους επιστήμονες να ανασυνθέσουν τη δομή του υγρού άνθρακα βήμα-βήμα.
Η διαδικασία, αν και σύντομη, επαναλαμβάνεται πολλές φορές υπό ελαφρώς διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, δημιουργώντας μια σειρά “στιγμιότυπων” που συνθέτουν μια πλήρη εικόνα της μετάβασης από τη στερεή στη υγρή φάση. Τα δεδομένα αποκάλυψαν ότι κάθε άτομο άνθρακα στο υγρό έχει τέσσερις κοντινούς γείτονες, σχηματίζοντας μια δομή που θυμίζει στερεό διαμάντι. Η συμπεριφορά αυτή μοιάζει με υγρό παρόμοιο με το νερό, αλλά με εξαιρετικά χαμηλό ιξώδες, κοντά στην ιδανική υγρή μορφή, γνωστή και ως ρευστό Dirac, σύμφωνα με τον επικεφαλής της ομάδας, Dominik Kraus.
Η μελέτη αυτή δεν περιορίζεται μόνο στη θεωρητική κατανόηση. Η ακριβής γνώση του σημείου τήξης και της δομής του υγρού άνθρακα είναι κρίσιμη για την κατανόηση των εσωτερικών συνθηκών πλανητών και για τη σχεδίαση τεχνολογιών υψηλής ενέργειας, όπως η πυρηνική σύντηξη. Η δυνατότητα να παρατηρούνται αυτές οι εξαιρετικά γρήγορες μεταβάσεις μέσα σε νανοδευτερόλεπτα ανοίγει νέους δρόμους για την πειραματική φυσική υψηλής πίεσης, επιτρέποντας μελλοντικά ταχύτερη ανάλυση δεδομένων και πιο σύνθετες πειραματικές ρυθμίσεις.
Το πείραμα επιβεβαιώνει προβλέψεις προηγμένων προσομοιώσεων για τον υγρό άνθρακα και δείχνει ότι ακόμα και σε μόλις ένα λεπτό δείγμα, η επιστημονική παρατήρηση μπορεί να φτάσει σε εξαιρετικά λεπτομερείς διαστάσεις. Ο Dr. Ulf Zastrau, επικεφαλής της ομάδας HED, τονίζει ότι το νέο εργαστήριο προσφέρει πλέον τα εργαλεία για να μελετηθεί η ύλη σε ακραίες συνθήκες με ακρίβεια που θεωρούνταν αδύνατη μέχρι πρότινος.
Η επιτυχία αυτή ανοίγει τον δρόμο για μελλοντικές εφαρμογές, από τη μοντελοποίηση πλανητικών εσωτερικών δομών μέχρι την ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών αιχμής, όπως αισθητήρες για την πυρηνική σύντηξη. Το πείραμα με τον υγρό άνθρακα αποτελεί μια μοναδική ένδειξη ότι η συνδυαστική χρήση ισχυρών laser και υπερ-βραχυχρόνιων παλμών ακτίνων Χ μπορεί να φέρει την πειραματική φυσική σε νέα επίπεδα, ανοίγοντας παράλληλα τη δυνατότητα για μελέτες υλικών υπό συνθήκες που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν ανέφικτες.
[via]
