Οι απευθείας μετρήσεις της τήξης του διαμαντιού υπό ακραία πίεση έλυσαν μια μακροχρόνια αναντιστοιχία μεταξύ θεωρίας και πειράματος, ανοίγοντας τον δρόμο για βελτιώσεις στην έρευνα της πυρηνικής σύντηξης και στα πλανητικά μοντέλα.
Το διαμάντι δεν είναι μόνο ένας πολυποίκιλτος λίθος. Αυτή η εξαιρετικά σκληρή μορφή άνθρακα χρησιμοποιείται επίσης στις μικροσκοπικές κάψουλες που περιβάλλουν το καύσιμο στα πειράματα αδρανειακής σύντηξης (ICF), ενώ οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο άνθρακας μπορεί να σχηματίσει διαμάντια που πέφτουν στο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων, όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός.
Και τα δύο αυτά περιβάλλοντα εκθέτουν το διαμάντι σε τεράστια πίεση, ωστόσο τα πειράματα και οι προσομοιώσεις σε υπολογιστές παρήγαγαν για καιρό συγκρουόμενες περιγραφές για το τι ακριβώς συμβαίνει στο υλικό υπό τέτοιες ακραίες συνθήκες.
Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) κατάφεραν να μετρήσουν την τήξη του διαμαντιού υπό πιέσεις τρεις φορές μεγαλύτερες από αυτές στον πυρήνα της Γης, με τη σχετική μελέτη να δημοσιεύεται στο Nature Physic.
«Μπορέσαμε να πάρουμε μικροσκοπικά δείγματα διαμαντιού και να τα συμπιέσουμε μέσω κρουστικών κυμάτων σε θερμοκρασίες υψηλότερες από την επιφάνεια του Ήλιου και σε πιέσεις μεγαλύτερες από το κέντρο του Ποσειδώνα και του Ουρανού – και παρόλα αυτά να μετρήσουμε την ατομική δομή, τη θερμοκρασία, τη πυκνότητα και την οπτική ανακλαστικότητα», δήλωσε ο συγγραφέας της μελέτης και επιστήμονας του LLNL, Marius Millot.
Οι μετρήσεις αυτές δίνουν τέλος σε δύο χρόνιες διαφωνίες στην επιστημονική κοινότητα, ευθυγραμμίζοντας τα αποτελέσματα των πειραμάτων με τις προσομοιώσεις που βασίζονται στην κβαντομηχανική. Τα ευρήματα ενδέχεται να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην αδρανειακή σύντηξη -όπου οι προβλέψεις υποδηλώνουν ότι μπορούν να επιτρέψουν έως και τριπλάσια ενεργειακή απόδοση – καθώς και στα μοντέλα που περιγράφουν το εσωτερικό των πλανητών υπό ακραία πίεση.
Επίλυση μιας ασυμφωνίας δεκαετιών
Οι ερευνητές του LLNL μελετούν το διαμάντι υπό ακραίες συνθήκες εδώ και δεκαετίες. Πριν από περίπου 20 χρόνια, ο επιστήμονας του εργαστηρίου Jon Eggert και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν πρωτοποριακά πειράματα τήξης υπό υψηλή πίεση και διαπίστωσαν ότι το διαμάντι γινόταν πιο πυκνό όταν έλιωνε.
«Αν και αυτό είναι αρκετά ασυνήθιστο στα περισσότερα υλικά, όλοι γνωρίζουμε ένα παράδειγμα τέτοιας συμπεριφοράς», είπε ο επιστήμονας του LLNL, Marius Millot. «Το υγρό νερό είναι πιο πυκνό από τον πάγο, γι’ αυτό και τα παγάκια επιπλέουν. Το εύρημα του Jon σημαίνει ότι το διαμάντι θα επέπλεε σε υγρό άνθρακα υπό υψηλές πιέσεις».
Ωστόσο, εκείνα τα επιδραστικά πειράματα άφησαν πίσω τους και ένα μεγάλο ερωτηματικό. Η θερμοκρασία τήξης που μετρήθηκε πειραματικά διέφερε από τις θεωρητικές προβλέψεις κατά περίπου 20%.
«Όση προσπάθεια κι αν κατέβαλαν οι θεωρητικοί -ακόμη και με τις πιο προηγμένες τεχνικές προσομοίωσης στον υπολογιστή- δεν μπορούσαν να αναπαραγάγουν τα πειράματα», δήλωσε ο Millot.
Ένα ακόμα αναπάντητο ερώτημα προέκυψε από πειράματα στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia. Εκεί, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα ισχυρά μαγνητικά πεδία της μηχανής Z για να συμπιέσουν μέσω κρουστικών κυμάτων μικρά δείγματα διαμαντιού, εντοπίζοντας σήματα που υποδήλωναν ότι το διαμάντι ενδέχεται να μετασχηματίζεται σε μια άλλη κρυσταλλική μορφή πριν λιώσει. Οι προσομοιώσεις υποστήριζαν αυτή την πιθανότητα, αλλά η ατομική διάταξη δεν είχε μετρηθεί ποτέ απευθείας.
Οι ακτίνες Χ αποτυπώνουν το διαμάντι καθώς λιώνει
Για να επιλύσουν και τα δύο προβλήματα, οι ερευνητές του LLNL πραγματοποίησαν πειράματα δυναμικής συμπίεσης μέσω λέιζερ στο Εργαστήριο Ενεργειακών Λέιζερ (LLE) του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ. Στην εγκατάσταση Omega Laser Facility, τα λέιζερ εξαέρωσαν την εξωτερική επιφάνεια ενός μικροσκοπικού δείγματος διαμαντιού, δημιουργώντας ένα ισχυρό κρουστικό κύμα που συμπίεσε το υλικό στο εσωτερικό του.
Η λήψη ακριβών μετρήσεων κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας ήταν ιδιαίτερα δύσκολη, καθώς οι καταστάσεις ακραίας πίεσης διαρκούσαν μόλις ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Μέσα σε αυτό το σύντομο χρονικό διάστημα, οι ερευνητές έπρεπε να συλλέξουν πολλαπλές μετρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της περίθλασης ακτινών Χ, η οποία αποκαλύπτει πώς είναι διατεταγμένα τα άτομα.
«Αυτή ήταν η πρώτη φορά που ένα συμπιεσμένο από κρουστικό κύμα διαμάντι εξετάστηκε με περίθλαση ακτινών Χ μέχρι το σημείο τήξης του», δήλωσε ο Millot. «Αυτές οι μετρήσεις είναι εξαιρετικά δύσκολες επειδή ο άνθρακας είναι ένα μικρό και ελαφρύ άτομο. Σκεδάζει πολύ λίγες ακτίνες Χ, άρα το σήμα που έπρεπε να μετρήσουμε ήταν αρκετά ασθενές».
Τα βελτιωμένα διαγνωστικά όργανα που αναπτύχθηκαν και συντηρούνται από την ομάδα του LLE απέδωσαν μια νέα μέτρηση της θερμοκρασίας τήξης του διαμαντιού. Αυτή τη φορά, η πειραματική τιμή συμφωνούσε σχεδόν απόλυτα με τις προσομοιώσεις, επιλύοντας την ασυμφωνία που επέμενε για περίπου δύο δεκαετίες.
«Αν και ήταν απογοητευτικό να ανακαλύψουμε ότι οι αρχικές μας μετρήσεις θερμοκρασίας απέκλιναν κατά περισσότερο από 1.000 βαθμούς, είναι συναρπαστικό να βλέπουμε μια τόσο εντυπωσιακή βελτίωση στην ποιότητα των δεδομένων με τα νέα μας διαγνωστικά εργαλεία», δήλωσε ο Eggert. «Ακόμα καλύτερα, η αρχική μας υπόθεση για την τήξη έχει τώρα επιβεβαιωθεί απευθείας με περίθλαση ακτινών Χ».
Το πείραμα απέδωσε επίσης διαφορετικό αποτέλεσμα από την πιθανή φασική μετάβαση που είχε υποδειχθεί προηγουμένως στο Sandia. Υπό την επίδραση ενός μόνο κρουστικού κύματος, ο άνθρακας διατήρησε τη δομή του διαμαντιού μέχρι που έλιωσε, χωρίς να εντοπιστεί ενδιάμεση κρυσταλλική φάση.
«Πιστεύουμε ότι αυτό συμβαίνει επειδή το δείγμα δεν έχει χρόνο να αλλάξει όταν δέχεται μόνο ένα κρουστικό κύμα. Παραμένει “παγιδευμένο” στη δομή του διαμαντιού», δήλωσε ο Millot.
Αυτή η διαφοροποίηση ενδέχεται να έχει σημασία για μελλοντικά πειράματα και προσομοιώσεις υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, καθώς υποδεικνύει ότι η απόκριση ενός υλικού εξαρτάται όχι μόνο από την πίεση και τη θερμοκρασία του, αλλά και από τον τρόπο με τον οποίο μεταδίδεται το κρουστικό κύμα.
Ηπιότερα κρουστικά κύματα θα μπορούσαν να αυξήσουν την απόδοση της σύντηξης
Η συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος μπορεί να έχει άμεσες επιπτώσεις στα πειράματα σύντηξης. Στην αδρανειακή σύντηξη, ισχυρά λέιζερ δημιουργούν κρουστικά κύματα που εξαναγκάζουν μια μικροσκοπική κάψουλα διαμαντιού να συμπιεστεί προς τα μέσα (συρρίκνωση). Η ενδοδιάρρηξη που προκαλείται συμπιέζει το καύσιμο σύντηξης που εσωκλείεται σε αυτήν, μέχρι το καύσιμο να φτάσει στις ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες που χρειάζονται για τη σύντηξη.
Στο πρώτο στάδιο, το διαμάντι πρέπει να υγροποιηθεί πλήρως, μετατρεπόμενο σε ένα ομοιόμορφο ρευστό, καθώς τυχόν ατέλειες στη συμπίεση κινδυνεύουν να απορυθμίσουν την αντίδραση. Για να εξασφαλίσουν αυτή την τήξη, οι επιστήμονες στο NIF του LLNL εφαρμόζουν συνήθως ιδιαίτερα ισχυρά αρχικά κύματα.
«Η εργασία μας δείχνει ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ελαφρώς ηπιότερα αρχικά κρουστικά κύματα και παρόλα αυτά να επιτύχουμε πλήρη τήξη του διαμαντιού στις συμπιέσεις μας στο NIF», τόνισε ο Millot. «Αυτό είναι συναρπαστικό, διότι ένα πιο ήπιο κρουστικό κύμα, επιτρέπει στο καύσιμο σύντηξης να συμπιεστεί περισσότερο. Αυτό με τη σειρά του αυξάνει τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση που θα μπορούσαμε να λάβουμε με την ίδια ενέργεια λέιζερ».
Εάν καταστεί δυνατό να ελεγχθούν άλλες πηγές απώλειας απόδοσης, οι προβλέψεις δείχνουν ότι η χρήση αυτών των ηπιότερων κρουστικών κυμάτων θα μπορούσε να τριπλασιάσει το ενεργειακό κέρδος.
Τα ευρήματα ξεκλειδώνουν το εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων
Οι νέες μετρήσεις παρέχουν επίσης χρήσιμες πληροφορίες για τους επιστήμονες που προσπαθούν να κατανοήσουν τον Ποσειδώνα και τον Ουρανό. Επειδή το βαθύ εσωτερικό αυτών των παγωμένων γιγάντων δεν μπορεί να παρατηρηθεί απευθείας, οι ερευνητές των πλανητών βασίζονται σε πειράματα και μοντέλα για να προσδιορίσουν τι μπορεί να συμβαίνει πολύ κάτω από τις επιφάνειές τους.
Ορισμένες μελέτες υποδηλώνουν ότι ο άνθρακας μπορεί να κρυσταλλωθεί σε μεγάλα βάθη και να πέσει μέσα στους πλανήτες ως «βροχή διαμαντιών». Δεδομένου ότι τα τελευταία πειράματα έφτασαν σε πιέσεις μεγαλύτερες από αυτές που αναμένονται στο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων, τα αναθεωρημένα δεδομένα τήξης μπορούν να βοηθήσουν στην υποστήριξη πιο ρεαλιστικών μοντέλων για τον σχηματισμό και την εξέλιξή τους.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές του LLNL σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν τις δυνατότητες του NIF για να εξετάσουν το διαμάντι υπό ακόμα πιο ακραίες συνθήκες, οι οποίες είναι δύσκολο να αναπαραχθούν αλλού. Ελπίζουν να προσδιορίσουν πώς συμπεριφέρονται οι κάψουλες διαμαντιού κατά τα μεταγενέστερα στάδια μιας ενδοδιάρρηξης και να διακριβώσουν για πόσο χρονικό διάστημα η δομή του διαμαντιού μπορεί να παραμείνει σταθερή, δηλαδή πόσο αντέχει, όταν δέχεται διαδοχικά κρουστικά κύματα.
