دانشمندان الماس را در فشار فوق‌العاده بالا ذوب کردند

به گزارش خبرگزاری ایده روز آنلاین و براساس گزارش زومیت، الماس که به‌عنوان سخت‌ترین ماده معدنی طبیعی شناخته‌شده روی زمین شهرت دارد، در شرایط معمول جامدی پایدار است؛ اما در فشار و دماهای فوق‌العاده بالا می‌تواند ذوب شود. اکنون، پژوهشگران با فشردن نمونه‌های الماس تا فشارهایی بیش از فشار مرکز اورانوس و نپتون، برای نخستین‌بار رفتار ساختار اتمی آن را هنگام رسیدن به نقطه ذوب با جزئیات بیشتری بررسی کرده‌اند و به نتیجه‌ای برخلاف انتظار رسیده‌اند.

به‌گزارش ساینس‌آلرت، گروهی از فیزیک‌دانان به رهبری ماریوس میلوت در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور آمریکا نشان داده‌اند که ذوب الماس برخلاف انتظار، فرایندی عجیب است. به‌گفته‌ی میلوت، الماس تا لحظه‌ی ذوب ساختار بلوری آشنای خود را حفظ می‌کند و درست هنگام ذوب، نظم اتم‌های کربن آن از بین می‌رود. او می‌گوید دلیل این رفتار، احتمالاً آن است که نمونه هنگام تجربه‌ی شوک، فرصت کافی برای تغییر ساختار ندارد و در همان ساختار الماسی «گیر می‌افتد».

ذوب الماس کار ساده‌ای نیست، اما دانشمندان در طول سال‌ها چندین بار به این کار دست زده‌اند. در سال ۲۰۰۷، گروهی از پژوهشگران گزارش دادند که با استفاده از لیزر و ایجاد موج شوک، الماس را در فشار ۷۵۰ گیگاپاسکال ذوب کرده‌اند که بیش از دو برابر فشار موجود در هسته داخلی زمین و حدود ۷٫۴ میلیون برابر فشار جو در سطح دریا است.

در آزمایش‌های بعدی که در مقاله‌ای به رهبری جان اگرت، فیزیک‌دان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در سال ۲۰۰۹ منتشر شد، دمای ذوب الماس نیز به‌طور مستقیم مورد سنجش قرار گرفت.

فرآیند ذوب‌شدن الماس در آزمایش‌های فشار بالا، نتایج غیرمنتظره‌ای داشت.Nature Physics

اما با پیشرفت محاسبات نظری، مشکل تازه‌ای آشکار شد. دمای ذوب به‌دست‌آمده از آزمایش‌ها حدود ۲۰درصد با پیش‌بینی‌های کوانتوم‌مکانیکی اختلاف داشت. میلوت می‌گوید حتی پیشرفته‌ترین روش‌های شبیه‌سازی رایانه‌ای نیز نتوانستند نتایج آزمایش را بازتولید کنند.

الماس تا لحظه ذوب ساختار بلوری آشنای خود را حفظ می‌کند

پرسش دیگری نیز همچنان بی‌پاسخ مانده بود. نظریه‌ها پیش‌بینی می‌کردند که در فشاری حدود یک تریلیون پاسکال، شبکه اتمی بسیار منظم الماس پیش از ذوب کامل، موقتاً به ساختاری از کربن موسوم به «بی‌سی هشت» (BC8) تبدیل شود. حتی برخی آزمایش‌های قدیمی‌تر، شواهدی از این گذار را در فشارهای بالاتر از حدود ۹۰۰ گیگاپاسکال گزارش کرده بودند. بااین‌حال، شبیه‌سازی‌های جدیدتر نشان می‌دهند تشکیل BC8 در فرایند فشرده‌سازی سریع ممکن است بسیار دشوار باشد.

اگرچه مقاله‌ی سال ۲۰۰۹ ذوب الماس را در فشارهایی تا ۱٫۱ تریلیون پاسکال نشان داده بود، حساسیت ابزارهای آزمایش برای تعیین حضور یا فقدان ساختار BC8 کافی نبود. در سال‌های بعد، فناوری مشاهده‌ی ماده در شرایط گذرا پیشرفت چشمگیری کرد و میلوت و همکارانش بار دیگر سراغ مسئله رفتند.

پژوهشگران با استفاده از تأسیسات لیزر اُمگا در دانشگاه روچستر، پالس‌های لیزری قدرتمندی را به نمونه‌های بسیار کوچک الماس تاباندند تا موج‌های شوک ایجاد کنند. به این ترتیب، فشارهایی بین ۶۰۰ گیگاپاسکال و ۱٫۸ تریلیون پاسکال ایجاد کردند.

هدف الماسی در مرکز شلیک لیزر اُمگا برای بررسی رفتار الماس تحت فشارهای بسیار شدید. نور سفید درخشان، پلاسمای ایجادشده در جریان آزمایش را نشان می‌دهد.Nature Physics

هم‌زمان، سرعت حرکت موج شوک، میزان داغ‌شدن و بازتابندگی الماس و مهم‌تر از همه، تغییرات ساختار بلوری آن با پرتو ایکس بررسی شد. میلوت می‌گوید پژوهشگران توانستند نمونه‌های بسیار کوچک الماس را تا دماهایی بالاتر از سطح خورشید و فشارهایی بیشتر از فشار مرکز اورانوس و نپتون فشرده کنند و هم‌زمان ساختار اتمی، دما، چگالی و بازتابندگی نوری آن‌ها را اندازه بگیرند.

اندازه‌گیری‌های تازه مشکل مربوط به دمای ذوب را نیز برطرف کرد. بر اساس داده‌های جدید، دمای ذوب الماس در فشار یک تریلیون پاسکال حدود ۷٬۳۰۰ کلوین (۷٬۰۲۷ درجه سانتی‌گراد) به‌دست آمد؛ عددی که به‌مراتب پایین‌تر از اندازه‌گیری‌های قبلی است و با محاسبات نظری که مدت‌ها با نتایج آزمایشگاهی قبلی سازگار نبودند، تطابق خوبی دارد.

اگرت می‌گوید مشاهده‌ی اینکه اندازه‌گیری‌های اولیه‌ی دمای ذوب بیش از هزار درجه خطا داشته‌اند، ناراحت‌کننده است؛ اما بهبود چشمگیر کیفیت داده‌ها با استفاده از ابزارهای تشخیصی جدید بسیار هیجان‌انگیز است.

پژوهشگران توانستند نمونه‌های بسیار کوچک الماس را تا دماهایی بالاتر از سطح خورشید و فشارهایی بیشتر از فشار مرکز اورانوس و نپتون فشرده کنند

پرتو ایکس همچنین نشان داد که ساختار بلوری الماس هنگام ذوب چه تغییری می‌کند. با افزایش فشار، سیگنال پراش پرتو ایکس به‌تدریج ضعیف شد؛ یعنی بخش کمتری از نمونه همچنان ساختار بلوری داشت و در نهایت این سیگنال کاملاً از بین رفت. بااین‌حال، تا زمانی که پژوهشگران می‌توانستند ساختار اتمی نمونه را تشخیص دهند، شبکه بلوری مکعبی الماس بدون تغییر باقی مانده بود. پژوهشگران هیچ نشانه‌ی قابل‌توجهی از تشکیل ساختار BC8 پیدا نکردند. در واقع، الماس جامد و کربن مایع تا تکمیل فرایند ذوب هم‌زمان در کنار یکدیگر وجود داشتند.

پژوهشگران می‌گویند این نتیجه احتمالاً با سازوکاری که در شبیه‌سازی‌های قبلی پیش‌بینی شده بود، توضیح داده می‌شود. کربن در فشارهای مورد آزمایش ممکن است از نظر ترمودینامیکی ساختار BC8 را ترجیح دهد، اما تشکیل این ساختار به شکستن و بازآرایی پیوندهای بسیار محکم میان اتم‌های کربن در الماس نیاز دارد؛ فرایندی که انرژی زیادی می‌طلبد. بنابراین، در شرایط بسیار کوتاه‌مدت آزمایش، به‌نظر می‌رسد الماس پیش از آنکه فرصت تغییر ساختار پیدا کند، ذوب می‌شود.

رفتار عجیب الماس به همین‌جا ختم نمی‌شود. در فشارهای فوق‌العاده بالا، الماس جامد از کربن مایعی که هنگام ذوب تولید می‌شود، چگالی کمتری دارد؛ درست مانند یخ که از آب مایع سبک‌تر است. در نتیجه، الماس جامد می‌تواند روی کربن مذاب شناور بماند. این ویژگی پیامد دیگری نیز دارد: در بخشی از بازه‌ی ذوب، افزایش فشار در واقع دمای ذوب الماس را کاهش می‌دهد.

یافته‌ها کاربردهای بالقوه‌ای دارند. چنین آزمایش‌هایی می‌توانند اطلاعاتی درباره‌ی درون سیاره‌های غول‌پیکر یخی مانند اورانوس و نپتون فراهم کنند؛ جایی که کربن ممکن است با دما و فشارهایی مشابه شرایط بازسازی‌شده در این آزمایش روبه‌رو شود.

الماس همچنین در اهداف آزمایش‌های همجوشی محصورسازی لَختی استفاده می‌شود که در آن‌ها کپسول‌های کوچک سوخت تحت فشارهای عظیم فشرده می‌شوند. بنابراین، شناخت دقیق‌تر واکنش کربن هنگام فروریزش این اهداف می‌تواند به بهبود مدل‌های رایانه‌ای مورد استفاده برای طراحی آزمایش‌های همجوشی کمک کند.

پژوهشگران با واردکردن مدل جدید کربن به شبیه‌سازی‌ها دریافتند انرژی خالص حاصل از همجوشی می‌تواند تا سه برابر بیشتر از برآوردهای قبلی باشد. میلوت می‌گوید این کشف نشان می‌دهد می‌توان از شوک‌های اولیه کندتر استفاده کرد و همچنان به ذوب کامل الماس در فرایند فشرده‌سازی سوخت همجوشی رسید. به‌گفته‌ی او، شوک کندتر باعث می‌شود سوخت همجوشی بیشتر فشرده شود و در نتیجه، با همان میزان انرژی لیزر بتوان انرژی بیشتری از فرایند همجوشی به دست آورد.

۲۲۷۲۲۷