کشف رفتار غیرمنتظره الماس هنگام ذوب در فشار ۱.۸ تریلیون پاسکال

پژوهشگران در آزمایشی کم‌نظیر با اعمال فشاری فراتر از مرکز سیارات غول‌پیکر، رفتار اتمی الماس را در آستانه ذوب بررسی کردند و به نتایجی غیرمنتظره دست یافتند.

رفتار شگفت‌انگیز سخت‌ترین ماده طبیعی زیر فشار سهمگین

الماس به‌عنوان یکی از پایدارترین و سخت‌ترین ساختارهای کربن در طبیعت، در شرایط متعارف ساختار بلوری مستحکمی دارد؛ اما قرارگیری در دما و فشارهای فوق‌العاده بالا رفتار آن را به‌کلی دگرگون می‌کند. در جریان بررسی‌های تجربی جدید، فیزیک‌دانان نمونه‌های الماس را تحت فشاری معادل ۱٫۸ تریلیون پاسکال قرار دادند تا نحوه گذار فاز آن به حالت مایع را ارزیابی کنند.

بر خلاف پیش‌بینی‌های قبلی که حاکی از تغییر فاز تدریجی یا تبدیل کربن به ساختارهای میانی مانند BC8 پیش از فروپاشی شبکه بلوری بود، شواهد نشان داد که الماس ساختار شبکه مکعبی خود را تا لحظه پایانی حفظ کرده و سپس به‌طور ناگهانی به کربن مایع تبدیل می‌شود. شوک واردشده به قدری سریع رخ می‌دهد که اتم‌های کربن فرصت بازآرایی پیدا نکرده و در شبکه بلوری خود به دام می‌افتند.

اصلاح معادلات دمای ذوب با پرتوهای ایکس فوق‌سریع

طی سال‌های متمادی، ارقام حاصل از آزمایش‌های ذوب الماس با محاسبات مکانیک کوانتومی نزدیک به ۲۰ درصد اختلاف داشتند. آزمایش‌های جدید با بهره‌گیری از پالس‌های لیزری قدرتمند و آنالیز پراش پرتو ایکس، ابهامات گذشته را برطرف کردند:

• دمای ذوب واقعی: در فشار یک تریلیون پاسکال، دمای ذوب برابر با ۷٬۳۰۰ کلوین (حدود ۷٬۰۲۷ درجه سانتی‌گراد) تعیین شد که اختلافی بیش از ۱٬۰۰۰ درجه با برآوردهای پیشین دارد.
• پایداری ساختار الماسی: هیچ اثری از تشکیل ساختار فرضی BC8 پیش از ذوب کامل مشاهده نشد و الماس جامد تا پایان فرایند مستقیماً در مجاورت کربن مایع باقی ماند.
• شناوری الماس جامد: در فشارهای بسیار شدید، چگالی الماس جامد کمتر از مایع حاصل از ذوب آن است؛ پدیده‌ای مشابه آب و یخ که سبب شناور ماندن بلورهای جامد الماس روی مذاب کربن می‌شود.

تحول در صنعت همجوشی هسته‌ای و علوم سیاره‌ای

داده‌های به‌دست‌آمده از این پژوهش کاربردهای استراتژیکی در دو حوزه پیشرفته دارند:

نخست، درک بهتر ساختار داخلی سیارات غول‌پیکر یخی نظیر اورانوس و نپتون که لایه‌های درونی آن‌ها تحت دما و فشارهای مشابهی قرار دارند. دوم، بهینه‌سازی کپسول‌های سوخت در آزمایش‌های همجوشی محصورسازی لختی؛ به‌کارگیری این مدل جدید کربن در شبیه‌سازی‌ها نشان داده است که انرژی خالص خروجی از فرایند همجوشی می‌تواند تا ۳ برابر بیشتر از تخمین‌های پیشین باشد.