Ученые впервые экспериментально наблюдали структуру жидкого углерода, получив новую информацию о его малоизученной форме. Результаты могут помочь улучшить модели внутренних частей планет и исследования, связанные с термоядерным синтезом.
Углерод важен в биологии и органической химии — разделе химии, который в основном занимается соединениями, содержащими углерод. Он также существует в нескольких твердых формах, известных как аллотропы, включая алмаз и графит. Эти формы имеют разное атомное строение и используются во многих современных технологиях.
Однако жидкий углерод было трудно изучать. При нормальном давлении углерод не плавится. Вместо этого он напрямую переходит из твердого состояния в газообразное. Жидкий углерод образуется только в экстремальных условиях, включая давление около 1 миллиона атмосфер и температуру около 4500 градусов Цельсия.
Создание таких условий в лаборатории затруднительно, поскольку ни один обычный контейнер не выдержит их. Вместо этого исследователи использовали лазерное сжатие для получения жидкого углерода всего на несколько наносекунд, или миллиардных долей секунды.
Эксперимент проводился в European XFEL — установке с рентгеновским лазером на свободных электронах в Шенефельде, недалеко от Гамбурга. Рентгеновский лазер на свободных электронах генерирует чрезвычайно короткие и мощные рентгеновские импульсы, которые позволяют ученым изучать материю в атомном масштабе.
Исследователи объединили рентгеновские импульсы от European XFEL с высокопроизводительным лазером DIPOLE100-X. Лазер был разработан Британским советом по науке и технологиям и предоставлен исследователям через консорциум пользователей HIBEF.
Во время эксперимента мощные лазерные импульсы посылали ударные волны через образец твердого углерода. Ударная волна — это движущаяся область повышенного давления, которая сжимает материал при прохождении через него. Это кратковременно повысило давление и температуру достаточно, чтобы превратить углерод в жидкость.
Рентгеновский импульс был направлен в образец, когда он находился в жидком состоянии. Атомы углерода рассеяли рентгеновские лучи, создав дифракционную картину. Рентгеновская дифракция позволяет ученым определить расположение атомов, изучая рассеяние рентгеновских лучей от них.
Исследователи многократно повторяли эксперимент, изменяя давление, температуру и время рентгеновских импульсов. Эти измерения предоставили серию снимков, показывающих переход от твердого углерода к жидкому.
Результаты показали, что жидкий углерод имеет сложную атомную структуру. В среднем каждый атом углерода имел около четырех ближайших соседей. Это означает, что около четырех атомов обычно располагались ближе всего к каждому атому углерода. Исследователи также наблюдали переходные связи, когда соединения между атомами формируются и разрываются по мере изменения жидкости.
Результаты согласуются с симуляциями квантовой молекулярной динамики. Это компьютерные модели, которые используют квантовую физику для расчета движения и взаимодействия атомов. Таким образом, новые измерения предоставляют экспериментальные доказательства, которые можно сравнить с предыдущими прогнозами относительно жидкого углерода.
«Это первый раз, когда мы смогли экспериментально наблюдать структуру жидкого углерода. Наш эксперимент подтверждает прогнозы, сделанные сложными симуляциями жидкого углерода. Мы имеем дело со сложной формой жидкости, сравнимой с водой, обладающей очень особыми структурными свойствами», — поясняет руководитель рабочей группы по углероду исследовательской коллаборации, профессор Доминик Краус из Университета Ростока и исследовательской лаборатории Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Измерения также помогли исследователям сузить диапазон точки плавления углерода. Точка плавления — это температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое. При экстремальном давлении условия, необходимые для плавления, могут меняться. Исследователи могут описать эти изменяющиеся условия давления и температуры с помощью линии плавления.
Более ранние теоретические оценки структуры и условий плавления углерода значительно различались. Более точная информация могла бы улучшить модели внутренних частей планет, где давление и температура значительно увеличиваются с глубиной.
Результаты также актуальны для изучения белых карликов. Это плотные остатки, остающиеся после того, как звезды, подобные Солнцу, исчерпают свое ядерное топливо и сбросят внешние слои. Понимание углерода в экстремальных условиях может помочь исследователям моделировать материю в таких средах.
Жидкий углерод также актуален для инерционного термоядерного синтеза — метода, используемого для изучения термоядерного синтеза, при котором мощные лазеры сжимают небольшую топливную гранулу. Исследование также может помочь ученым понять передовые углеродные материалы и то, что происходит с углеродом во время гиперскоростных ударов. Это столкновения на чрезвычайно высоких скоростях, которые могут создавать очень высокое давление и температуру.
Исследование предоставляет экспериментальную информацию о жидком состоянии углерода — одного из самых распространенных элементов во Вселенной. Оно также показывает, что аналогичные методы могут быть использованы для изучения других легких элементов в экстремальных условиях.
Измерения проводились in situ, то есть материал изучался в экстремальных условиях, а не извлекался и исследовался позже. Это было важно, поскольку жидкое состояние существовало очень короткое время.
Эксперимент также расширяет исследования в области высокоэнергетической плотной материи, которая включает изучение материалов, подвергающихся воздействию очень высокого давления, температуры или уровней энергии. Руководитель группы HED доктор Ульф Застрау сказал: «Теперь у нас есть инструментарий для детальной характеристики материи в чрезвычайно экзотических условиях».
Исследователи ожидают, что процесс ускорится по мере совершенствования автоматизированного управления и обработки данных. Измерения, которые в настоящее время занимают несколько часов, в конечном итоге могут быть завершены за секунды. Это может облегчить изучение структуры жидкостей из легких элементов в экстремальных условиях.
Источник: University of Rostock, HZDR
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, данный материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное законодательством об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать его.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
