Kako dijamant topi do 1 TPa otvara put ka efikasnijoj fuziji i otkriva tajne „kiše dijamanata”

Nove X-zrake i precizna dijagnostika pokazuju da dijamant zadržava svoju poznatu kubnu strukturu sve do potpunog topljenja pri pritiscima reda veličine ~1 terapaskal (TPa). Rezultati razrešavaju dvadesetogodišnji raskorak između ranijih eksperimenata i kvantno-mehaničkih simulacija i imaju direktne implikacije za inertnu (inertialnu) fuziju i modele unutrašnjosti ledenih džinova.

Sketch of the targets and diagnostics configuration for decaying (a) and steady (b) shocks. (CREDIT: Marius Millot et al, Nature Physics)

Šta su istraživači uradili

Tim sa Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i saradnici na Omega Laser Facility pri Laboratory for Laser Energetics, Univerziteta Rochester, izveli su seriju šok-kompresionih eksperimenata na sintetičkom dijamantu. Snažni ultraljubičasti laserski impulsi proizveli su šok-talase koji su uzorke doveli do pritisaka blizu 1 TPa — više od tri puta pritiska u Zemljinom jezgru i iznad očekivanih vrednosti u unutrašnjosti Neptuna i Urana.

Decaying shock SOP and VISAR data for 36010. (CREDIT: Marius Millot et al, Nature Physics)

Kako su merili topljenje

Komprimovana stanja trajala su delić sekunde (nanosekunde). Tokom tog kratkog intervala tim je istovremeno beležio brzinu šoka, reflektivnost, termalno zračenje i, ključno, X-zračnu difrakciju (XRD) koja otkriva atomsku strukturu. To je prvi put da je XRD snimljen sve do tačke topljenja kod šok-kompresovanog dijamanta.

Shock reflectivity and temperature including data with inferred shock velocity. (CREDIT: Marius Millot et al, Nature Physics)

"Ovo je prvi put da je šok-kompresovani dijamant bio ispitivan difrakcijom X-zraka sve do topljenja", rekao je Marius Millot iz LLNL-a. "S obzirom na to da ugljenik slabo raspršuje X-zrake, merenja su bila izuzetno izazovna."

Glavni eksperimenti i nalazi

Tim je uradio 12 eksperimenata sa stabilnim (steady) šokom i 7 sa opadajućim (decaying) šokom. Ključni nalazi:

Shock density versus pressure. XRD data (black diamond) and prediction for the solid component (dash-dot tan). (CREDIT: Marius Millot et al, Nature Physics)

• Topljenje je zabeleženo u širokom opsegu od oko 750 do 1.000 GPa, pri temperaturama od ~7.000 K.
• Kriva topljenja pokazuje negativan nagib u tom opsegu — temperatura blago opada sa porastom pritiska.
• Reflektivnost raste oštro kako šok jača, što ukazuje na prelaz u električno provodljiv tečni oblik ugljenika.
• XRD signal kristalne faze slabi približno desetostruko i nestaje blizu šok-brzine od 24.2 ± 0.2 km/s, potvrđujući direktno topljenje.

Šta je sa BC8 fazom?

Ranija merenja sa Sandia National Laboratories interpretirana su kao mogući prelaz u gustu BC8 kristalnu fazu pre topljenja. Novi XRD podaci iz LLNL-a pokazuju da kompresovani uzorak uglavnom zadržava poznatu kubnu dijamantsku strukturu sve do topljenja; dodela difrakcionog pika BC8 fazi bi dovela do gustina ~30% u raskoraku sa ranijim podacima. Takođe nisu zabeležene dodatne difrakcione linije koje bi ukazivale na značajnu količinu BC8.

Comparison of the solid-phase, liquid-phase and multiphase Hugoniot curves that are the loci of shock compressed states for diamond with an initial density ρ0 = 3.515 g cm−3. (CREDIT: Marius Millot et al, Nature Physics)

Autori objašnjavaju da tokom jedinstvenog, kratkog šoka uzorak nema vremena za preuređenje u BC8 — taj oblik bi mogao nastati tek kod dužih ili višestrukih šokova (ranija studija je imala vreme tranzita od ~40 ns, nasuprot nekoliko ns ovde).

Implikacije za inercionu fuziju (NIF)

Rezultati su direktno važni za National Ignition Facility (NIF), koji koristi milimetarske dijamantske kapsule sa smrznutim deuterij-tritij slojem. Dosadašnji dizajn zahtevao je početni šok >1.2 TPa da bi se osiguralo potpuno topljenje dijamanta i formiranje glatke tečne ovojnice. Novi podaci ukazuju da kompletno topljenje može nastupiti i pri slabijem početnom šoku, što omogućava putanju kompresije sa nižom entropijom i većom kompresibilnošću goriva.

Modeli koje navode autori predviđaju da bi veća kompresija goriva mogla — pod uslovom kontrole drugih izvora degradacije performansi — i do trostruko povećati oslobođenu fuzionu energiju za istu lasersku energiju.

Širi značaj

Pored fuzije, ova eksperimentalna referentna tačka unapređuje simulacije ponašanja ugljenika pod ekstremnim pritiscima i daje nove podatke za planete poput Neptuna i Urana, gde modeli pretpostavljaju da se ugljenik može kristalisati i padati kao "kiša dijamanata".

Dalji koraci

LLNL planira da upotrebi NIF za ispitivanje uslova koji su teško dostupni sadašnjim eksperimentima, uključujući višestruku šok-kompresiju, kako bi proverili gde kubna dijamantska struktura gubi stabilnost i kako se kapsula ponaša u kasnijim fazama implozije.

Reference: Rad objavljen u Nature Physics (2025). Dodatne studije i simulacije o post-dijamantnim fazama i planetarnim procesima citirane su u tekstu.