Вчені вперше заглянули в мікросвіт рідкого вуглецю

Міжнародна дослідницька спільнота, очолювана Ростокським університетом та Центром Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), змогла дослідити рідкий вуглець. Цей новаторський експеримент став можливим завдяки європейському XFEL, найбільшому у світі рентгенівському лазеру. Рідкий вуглець можна знайти, наприклад, у надрах планет, і він відіграє важливу роль у майбутніх технологіях, таких як ядерний синтез.

Однак досі про вуглець у рідкій формі було відомо дуже мало, оскільки в цьому стані його було практично неможливо вивчати в лабораторії: за нормального тиску вуглець не плавиться, а одразу переходить у газоподібний стан. Тільки за екстремального тиску та при температурі приблизно 4500 градусів Цельсія – найвищій температурі плавлення будь-якого матеріалу – вуглець стає рідким. Жодна ємність не витримала б цього.

З іншого боку, лазерне стиснення може перетворити твердий вуглець на рідкий за частки секунди. І завдання полягало у тому, щоб використати ці частки секунди для проведення вимірювань. Раніше немислимим чином це стало реальністю на European XFEL, найбільшому у світі рентгенівському лазері з його ультракороткими імпульсами, у Шенефельді, поблизу Гамбурга. В експерименті високоенергетичні імпульси лазера DIPOLE100-X пропускають хвилі стиснення через твердий вуглецевий зразок і розріджують матеріал протягом наносекунд, тобто протягом мільярдної частки секунди. Протягом цієї наносекунди зразок опромінюється ультракоротким рентгенівським лазерним спалахом European XFEL. Атоми вуглецю розсіюють рентгенівське світло – подібно до того, як світло дифрагується на дифракційній решітці. Дифракційна картина дозволяє зробити висновки про поточне розташування атомів у рідкому вуглеці.

Вимірювання показали, що маючи чотири найближчих сусіди кожна, системні структури рідкого вуглецю подібні до твердого алмазу. «Це перший випадок, коли нам вдалося експериментально спостерігати структуру рідкого вуглецю. Наш експеримент підтверджує прогнози, зроблені за допомогою складних симуляцій рідкого вуглецю. Ми розглядаємо складну форму рідини, порівнянну з водою, яка має дуже особливі структурні властивості», – пояснює керівник Робочої групи з вуглецю дослідницької колаборації, професор Домінік Краус з Університету Ростока та HZDR.

Дослідникам також вдалося точно визначити точку плавлення. Досі теоретичні прогнози щодо структури та точки плавлення значно розходилися. Але точні знання мають вирішальне значення для моделювання планет та певних концепцій виробництва енергії за допомогою ядерного синтезу.