Ученые впервые изучили структуру жидкого углерода

Исследователям впервые удалось измерить жидкий углерод экспериментальным путем. Они объединили мощный лазер с ультракороткими рентгеновскими импульсами European XFEL. Фото: HZDR / M. Künsting

Международная группа исследователей под руководством Ростокского университета и Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) впервые использовала высокопроизводительный лазер DIPOLE 100-X на European XFEL в 2023 году для изучения вещества в экстремальных условиях. Результаты оказались впечатляющими: в этом эксперименте им удалось исследовать жидкий углерод — достижение, о котором ученые сообщают в журнале Nature.

Жидкий углерод существует, например, в недрах планет и играет важную роль в будущих технологиях, таких как ядерный синтез. До сих пор об этой форме углерода было известно очень мало, поскольку в лабораторных условиях его практически невозможно было изучать: при нормальном давлении углерод не плавится, а сразу переходит в газообразное состояние. Только при экстремальном давлении и температурах около 4500 градусов Цельсия — самой высокой температуре плавления среди всех материалов — углерод становится жидким. Ни один контейнер не выдержит таких условий.

Лазерное сжатие может превратить твердый углерод в жидкость на доли секунды. Задача заключалась в использовании этих долей секунды для проведения измерений. В European XFEL, крупнейшем в мире рентгеновском лазере с ультракороткими импульсами в Шенефельде под Гамбургом, это стало реальностью.

Уникальная комбинация European XFEL с высокопроизводительным лазером DIPOLE100-X была crucial для успеха эксперимента. В эксперименте мощные импульсы лазера DIPOLE100-X создавали волны сжатия в образце твердого углерода и превращали материал в жидкость на наносекунды. В течение этой наносекунды образец облучали ультракороткими рентгеновскими импульсами European XFEL. Атомы углерода рассеивали рентгеновское излучение, и полученная дифракционная картина позволила сделать выводы о текущем расположении атомов в жидком углероде.

Измерения показали, что с четырьмя ближайшими соседями систематика жидкого углерода похожа на структуру твердого алмаза.

«Это первый раз, когда мы смогли экспериментально наблюдать структуру жидкого углерода. Наш эксперимент подтверждает предсказания, сделанные сложным моделированием жидкого углерода. Мы смотрим на сложную форму жидкости, сравнимую с водой, которая имеет очень special структурные свойства», — объясняет глава рабочей группы по углероду профессор Доминик Краус из Ростокского университета и HZDR.

Исследователям также удалось точно определить температуру плавления. До сих пор теоретические предсказания структуры и температуры плавления значительно расходились. Точное знание этих параметров имеет crucial значение для моделирования планет и некоторых концепций генерации энергии с помощью ядерного синтеза.

Первый эксперимент DIPOLE в European XFEL также открывает новую эру в измерении вещества при высоком давлении. Как подчеркивает руководитель группы HED доктор Ульф Застрау:

«Теперь у нас есть инструментарий для характеристики вещества в highly экзотических условиях с невероятной детализацией».