Kulstof ved tryk 5 gange større end Jordens kerne bryder krystaldannelsesrekord

Kulstof, det fjerde mest udbredte element i universet, er en byggesten til alt kendt liv og et materiale, der sidder i det indre af kulstofrige exoplaneter.

Årtiers intense undersøgelser fra videnskabsmænd har vist, at kulstofs krystalstruktur har en betydelig indflydelse på dets egenskaber. Ud over grafit og diamant, de mest almindelige kulstofstrukturer fundet ved omgivende tryk, Forskere har forudsagt adskillige nye kulstofstrukturer, der kan findes ved tryk på mere end 1, 000 gigapascal (GPa). Disse pres, omkring 2,5 gange trykket i Jordens kerne, er relevante for modellering af exoplanetinteriør, men har været umulige at opnå i laboratoriet.

Det er, indtil nu. Under Discovery Science-programmet, som giver akademiske forskere adgang til LLNLs flagskib National Ignition Facility (NIF), et internationalt team af forskere ledet af LLNL og University of Oxford har med succes målt kulstof ved tryk på 2, 000 GPa (5 gange trykket i Jordens kerne), næsten en fordobling af det maksimale tryk, ved hvilket en krystalstruktur nogensinde er blevet direkte sonderet. Resultaterne blev rapporteret i dag kl Natur .

"Vi opdagede, at overraskende, under disse forhold omdannes kulstof ikke til nogen af ​​de forudsagte faser, men bevarer diamantstrukturen op til det højeste tryk, " sagde LLNL fysiker Amy Jenei, hovedforfatter på undersøgelsen. "De samme ultra-stærke interatomiske bindinger (der kræver høje energier for at bryde), som er ansvarlige for, at den metastabile diamantstruktur af kulstof varer ved i det uendelige ved omgivende tryk, hæmmer sandsynligvis også dens transformation over 1, 000 GPa i vores eksperimenter."

Den akademiske del af samarbejdet blev ledet af Oxford Professor Justin Wark, der roste laboratoriets politik for åben adgang.

"NIF Discovery Science-programmet er uhyre gavnligt for det akademiske samfund, " sagde han. "Det giver ikke kun etablerede fakulteter mulighed for at fremsætte forslag til eksperimenter, som ville være umulige at lave andre steder, men vigtigst af alt giver også kandidatstuderende, hvem er fremtidens seniorforskere, chancen for at arbejde på et helt unikt anlæg."

Holdet – som også omfattede forskere fra University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE) og University of York – udnyttede NIFs unikke høje kraft og energi og nøjagtige laserpulsformning til at komprimere fast kulstof til 2, 000 GPa ved hjælp af rampeformede laserimpulser. Dette gjorde det muligt for dem at måle krystalstrukturen ved hjælp af en røntgendiffraktionsplatform og fange et nanosekund-varighedsbillede af atomgitteret. Disse eksperimenter næsten fordobler det rekordhøje tryk, ved hvilket røntgendiffraktion er blevet registreret på ethvert materiale.

Forskerne fandt ud af, at selv når de blev udsat for disse intense forhold, fast kulstof bevarer sin diamantstruktur langt ud over dens forudsagte stabilitet, bekræfter forudsigelser om, at styrken af ​​de molekylære bindinger i diamant fortsætter under enormt pres. Dette resulterer i store energibarrierer, der hindrer omdannelse til andre kulstofstrukturer.

"Om naturen har fundet en måde at overvinde den høje energibarriere for dannelsen af ​​de forudsagte faser i exoplaneternes indre er stadig et åbent spørgsmål, "Jenei sagde. "Yderligere målinger ved hjælp af en alternativ kompressionsvej eller start fra en allotrop af kulstof med en atomstruktur, der kræver mindre energi at omarrangere, vil give yderligere indsigt."