Fizicienii au descoperit ce se întâmplă, cu adevărat, când un diamant se topește la presiuni extreme. Folosind unde de șoc laser, o echipă de cercetare de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL), SUA, condusă de Marius Millot a demonstrat că topirea diamantului infirmă predicțiile teoretice de până acum, deschizând o cale neașteptată pentru eficientizarea energiei de fuziune.
Topirea diamantului și implicațiile pentru teoria mecanicii cuantice
Diamantul, cel mai dur mineral natural cunoscut pe Pământ, se poate topi. Iar topirea se petrece într-un mod cu adevărat ciudat, potrivit echipei de fizicieni condusă de Marius Millot, de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL) din SUA. Practic, diamantul își păstrează structura cristalină familiară până în momentul topirii, când atomii săi de carbon intră într-o stare de dezordine.
Studiul, publicat în jurnalul științific Nature Physics, corectează o eroare teoretică ce a persistat două decenii: temperatura reală de topire este cu peste 1.000 de grade mai mică decât indicau măsurătorile vechi, detaliu care, integrat în simulări, ar putea tripla câștigul de energie din reactoarele nucleare. Acest lucru are implicații majore pentru înțelegerea fenomenelor de fuziune nucleară, un domeniu în care se caută soluții eficiente pentru producerea de energie.
Topirea unui diamant nu e tocmai ușoară, dar de-a lungul anilor s-au realizat mai multe experimente în acest sens. În anul 2007, o echipă de oameni de știință a raportat topirea diamantului folosind un laser pentru a-l lovi cu o undă de șoc la o presiune de 750 de gigapascali — mai mult decât dublul presiunii din nucleul interior al Pământului și de 7,4 milioane de ori mai mare decât presiunea atmosferică la nivelul mării.
Experimentele ulterioare, detaliate într-un articol din 2009 și conduse de fizicianul Jon Eggert de la LLNL, au măsurat direct temperatura de topire a diamantului. Pe măsură ce calculele teoretice s-au îmbunătățit, însă, a apărut o problemă: temperatura de topire obținută experimental diferea de predicțiile mecanicii cuantice cu aproximativ 20%. „Indiferent ce au făcut teoreticienii – chiar și cu cele mai avansate tehnici de simulare pe computer – nu au reușit să reproducă experimentele”, a spus Millot.
Între timp, o altă întrebare rămăsese fără răspuns. Teoria prezicea că, la aproximativ un terapascal, rețeaua atomică strict ordonată a diamantului ar trebui să se transforme temporar într-o formă de carbon numită BC8, înainte de a se topi complet. Pentru context, faza BC8 este o structură ipotetică, considerată până acum de mecanica cuantică o etapă de tranziție obligatorie înainte ca rețeaua atomică ordonată a diamantului să devină lichidă.
Experimentele anterioare fuseseră chiar interpretate ca dovezi ale acestei tranziții, la presiuni de peste aproximativ 900 de gigapascali. Simulările mai recente sugerează însă că formarea BC8 ar putea fi prea dificil de realizat în timpul compresiei rapide. Deși articolul din 2009 a demonstrat topirea diamantului la presiuni de până la 1,1 terapascali, experimentul nu a avut sensibilitatea necesară pentru a determina dacă faza BC8 prevăzută a apărut pe parcurs.
În anii care au urmat, tehnologia de observare a materiei în aceste condiții extreme și efemere s-a îmbunătățit considerabil. Așa că Millot și echipa sa au făcut o nouă încercare. Folosind instalația laser OMEGA de la Universitatea din Rochester, cercetătorii au generat unde de șoc prin probe minuscule de diamant, cu impulsuri laser puternice, obținând presiuni cuprinse între 600 de gigapascali și 1,8 terapascali.
În același timp, echipa a măsurat viteza de deplasare a undei de șoc, temperatura și reflectivitatea diamantului și — aspect crucial — a folosit raze X pentru a observa cum s-a modificat structura cristalină. „Am reușit să luăm probe minuscule de diamant și să le comprimăm prin șoc la temperaturi mai ridicate decât suprafața Soarelui și la presiuni mai mari decât cele din centrul lui Neptun și Uranus – și totuși să măsurăm structura atomică, temperatura, densitatea și reflexivitatea optică”, a spus Millot.
Noile măsurători au rezolvat problema temperaturii. Acestea au stabilit temperatura de topire a diamantului la aproximativ 7.300 de kelvini, la o presiune de 1 terapascal — semnificativ mai puțin decât indicaseră vechile măsurători experimentale și în acord cu calculele teoretice care refuzaseră cu încăpățânare să se potrivească cu rezultatul anterior.
„Deși a fost frustrant să descoperim că măsurătorile noastre inițiale de temperatură erau eronate cu peste 1.000 de grade, este încântător să vedem o îmbunătățire atât de spectaculoasă a calității datelor cu noile noastre metode de diagnosticare”, a spus Eggert. Razele X au dezvăluit și ce s-a întâmplat cu structura cristalină a diamantului pe măsură ce se topea — iar aici lucrurile devin cu adevărat interesante.
Pe măsură ce cercetătorii creșteau presiunea, semnalul de difracție cu raze X al diamantului slăbea tot mai mult: rămânea din ce în ce mai puțin diamant cristalin, până când acesta a dispărut complet. Însă, atâta timp cât echipa a mai putut detecta o structură atomică, aceasta a rămas în rețeaua cristalină cubică familiară. Cercetătorii nu au găsit niciun semn al unei faze BC8 substanțiale — diamantul solid și carbonul lichid au coexistat pur și simplu până la finalizarea procesului.
Implicații pentru cercetarea în energie nucleară și alte aplicații
Descoperirea face parte dintr-un domeniu de cercetare extrem de important, în special pentru dezvoltarea energiei nucleare prin fuziune. Înțelegerea exactă a comportamentului diamantului sub presiuni extreme poate duce la progresuri semnificative în proiectele de fuziune, unde se caută să se obțină energie din reacții între atomi de hidrogen, în condiții asemănătoare celor din interiorul Soarelui.
În plus, această cercetare aduce lumina asupra comportamentului materiei în condiții extreme, relevante nu doar pentru Pământ, ci și pentru planetele din sistemul solar, cum ar fi Neptun și Uranus, unde presiunile sunt extrem de mari. Studiul structurii cristaline și a tranzițiilor de fază în aceste condiții poate aduce informații valoroase pentru înțelegerea structurii interioare a planetelor și a comportamentului elementelor în aceste medii.
De asemenea, această cercetare poate avea aplicații practice în alte domenii, cum ar fi dezvoltarea de materiale avansate, utilizate în industria aeronautică, spațială sau în alte domenii unde rezistența la presiune și temperatură este esențială. În final, această descoperire nu doar că schimbă înțelegerea teoretică a topirii diamantului, dar poate influența și proiecte practice de mare amploare, cum ar fi energia nucleară sau studiul planetelor.
B. Zamfir
