Teorie naznačovaly, že by měl ještě před roztavením změnit svou krystalovou strukturu. Jenže diamant tento mezikrok jednoduše vynechal. A po roztavení přidal další podivnost, která z něj pod extrémním tlakem dělá překvapivého příbuzného obyčejného ledu.
Roztavit diamant znamená vytvořit podmínky, které na Zemi běžně neexistují
Diamant je tvořený uhlíkem, jehož atomy jsou uspořádány do mimořádně pevné trojrozměrné krystalové sítě. Právě tato struktura stojí za jeho pověstnou tvrdostí. Aby se vědci dostali až k jeho kapalné fázi, nestačí proto obyčejná pec.
Tým vedený Mariusem Millotem použil zařízení OMEGA Laser Facility při University of Rochester. Silné laserové pulzy zasáhly drobné diamantové vzorky a vytvořily v nich rázovou vlnu, která materiál během nepatrného okamžiku prudce stlačila a zahřála.
Experimenty pokrývaly tlaky přibližně od 600 gigapascalů do 1,8 terapaskalu. Jeden terapascal odpovídá zhruba deseti milionům atmosfér. Stavy, které výzkumníci vytvářeli, přitom existovaly pouze asi miliardtinu sekundy.
Právě v tomto okamžiku museli současně měřit teplotu, hustotu, odrazivost světla a pomocí rentgenové difrakce také přímo sledovat uspořádání atomů. Podle LLNL šlo vůbec poprvé o sledování rázově stlačeného diamantu rentgenovou difrakcí až do okamžiku jeho roztavení.
Dvacet let neseděly experimenty s teorií
Diamant se za podobných podmínek podařilo roztavit už dříve. Jenže starší experimenty přinesly problém, který fyziky pronásledoval téměř dvě desetiletí.
Naměřená teplota tání se rozcházela s nejmodernějšími kvantově-mechanickými výpočty přibližně o 20 procent. Teoretici modely zdokonalovali, ale rozpor nezmizel.
Nová generace diagnostických přístrojů ukázala, kde byl problém.
Starší měření teploty byla příliš vysoká.
Nový experiment umístil bod tání za tlaku okolo jednoho terapaskalu přibližně k 7 300 kelvinům. Výsledek se už velmi dobře shodoval s teoretickými výpočty. Jon Eggert, který se podílel i na předchozích experimentech, připustil, že původní hodnoty byly chybné o více než tisíc stupňů.
Oprava starého měření ale nebyla největším překvapením.
Diamant měl změnit podobu. Místo toho se rovnou roztavil
Při extrémních tlacích nemusí stejný chemický prvek zachovávat krystalovou strukturu, kterou známe z běžných podmínek. Atomy mohou vytvořit nové uspořádání a výsledkem je jiná pevná fáze stejného materiálu.
U uhlíku teoretické práce předpokládaly, že by se diamant kolem terapaskalových tlaků mohl před roztavením přeskupit do struktury označované BC8. Starší experimenty byly dokonce interpretovány jako možná stopa takového přechodu.
Nová rentgenová měření však ukázala něco jiného.
Jak tlak a teplota rostly, signál krystalického diamantu postupně slábl, protože stále větší část vzorku přecházela do kapaliny. Dokud ale vědci dokázali nějakou pevnou strukturu zachytit, byla to stále klasická kubická struktura diamantu.
Žádná výrazná fáze BC8 se neobjevila.
Výzkumníci se domnívají, že rozhodující je rychlost experimentu. Přeskupení atomů do BC8 by vyžadovalo rozbití mimořádně silných vazeb a vytvoření nové struktury. Při jediném prudkém rázu na to ale materiál zřejmě nemá čas. Zůstane „uvězněný“ jako diamant až do okamžiku, kdy se rovnou začne tavit.
To má zajímavý důsledek: o chování materiálu nerozhoduje pouze dosažený tlak a teplota. Záležet může také na tom, jakým způsobem a jak rychle se do těchto podmínek dostal.
A potom začal diamant připomínat kostku ledu
Ještě podivnější vlastnost se objeví přímo při tání.
U většiny materiálů je pevná fáze hustší než kapalná. Proto například kus pevného kovu v roztaveném kovu obvykle klesá.
Voda patří k nejznámějším výjimkám. Led má menší hustotu než kapalná voda, a proto plave.
Za podmínek vytvořených v novém experimentu se podobně chová také diamant.
Pevný diamant je méně hustý než kapalný uhlík, do kterého se taví.
Kdyby tedy bylo možné někde vytvořit dostatečně velkou nádrž kapalného uhlíku za odpovídajícího extrémního tlaku, kus pevného diamantu by na něm mohl plavat podobně jako kostka ledu ve sklenici vody.
S touto neobvyklou hustotou souvisí ještě další kontraintuitivní vlastnost. V části podmínek, které fyzikové zkoumali, může zvyšování tlaku snižovat teplotu potřebnou k roztavení diamantu.
Materiál, který je za běžných podmínek téměř synonymem pevnosti, se tak hluboko v extrémním světě vysokých tlaků začne chovat způsobem, který známe spíš z vody.
Výsledek může pomoci pochopit déšť diamantů na cizích planetách
Experiment nebyl proveden jen proto, aby fyzikové zjistili, jak bizarně lze zacházet s drahokamem.
Podobné tlaky existují v nitrech velkých planet.
Modely Uranu a Neptunu předpokládají, že ve velkých hloubkách může docházet k oddělování uhlíku a jeho krystalizaci. Vzniklé diamanty by potom mohly klesat do hlubších vrstev planety – vznikal by tak často zmiňovaný diamantový déšť.
Přesný popis toho, kdy je uhlík pevný, kapalný a jakou krystalovou strukturu vytváří, proto ovlivňuje modely vnitřního vývoje ledových obrů. Nové experimenty navíc dosáhly tlaků ještě vyšších, než jaké se očekávají v jejich centrálních oblastech.
A druhá aplikace leží mnohem blíž.
Jeden roztavený diamant může pomoci i jaderné fúzi
Diamant se používá jako materiál malých kapslí při experimentech s inerciálním udržením fúze. Uvnitř kapsle je palivo a obrovské laserové pulzy ji během několika nanosekund stlačí ze všech stran. Cílem je vytvořit teploty a tlaky potřebné ke spuštění fúzní reakce.
Právě chování diamantové skořápky během prvních okamžiků imploze je důležité. Pokud se neroztaví rovnoměrně, mohou vzniknout nepravidelnosti, které následné stlačení paliva zhorší.
Dosud se proto používal poměrně silný první ráz, aby fyzikové měli jistotu, že se diamant skutečně roztaví. Nová nižší hodnota teploty tání naznačuje, že by mohl stačit mírnější počáteční ráz.
Palivo by díky tomu mohlo zůstat lépe stlačitelné.
Když tým nový model uhlíku použil ve fúzních simulacích, maximální předpokládaný energetický zisk mohl při zvládnutí ostatních ztrátových mechanismů vzrůst až přibližně trojnásobně. Nejde tedy o oznámení trojnásobného výkonu skutečného reaktoru, ale o velmi zajímavý výsledek simulací, který může změnit způsob navrhování budoucích experimentů.
Na počátku přitom stála zdánlivě jednoduchá otázka: Co přesně se stane, když roztavíme diamant?
Odpověď ukázala, že jeden z nejznámějších materiálů na Zemi ještě pořád skrývá překvapení.
Pod extrémním tlakem se drží své struktury déle, než se čekalo. Pak se bez mezikroku roztaví. A když se kapalina objeví, pevný diamant je proti ní natolik lehký, že by na ní mohl plavat.
Nezničitelný drahokam se tak za podmínek hlubokých planet začne v jednom důležitém ohledu chovat skoro jako obyčejný led.
Věděli jste, že…
…diamant i grafit v obyčejné tužce jsou tvořeny prakticky stejným prvkem – uhlíkem? Jejich naprosto rozdílné vlastnosti vznikají především tím, jak jsou atomy uhlíku uspořádány a vzájemně propojeny. V diamantu vytváří každý atom pevné vazby ve třech rozměrech a výsledkem je mimořádně tvrdá krystalová síť. V grafitu vznikají vrstvy, které po sobě snadno kloužou. Nový experiment ukazuje, že při dostatečně extrémních tlacích a teplotách může být „identita“ uhlíku ještě mnohem pestřejší.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Nature Physics – Diamond melting in shock compression experiments at 1 TPa pressures [2], Lawrence Livermore National Laboratory – Melting diamond could unlock triple fusion gain and the secrets of ice-giant planets [3], University of Rochester – Laboratory for Laser Energetics, OMEGA Laser Facility [4]. img AI generated
