|
Впервые измерена структура жидкого углерода
|
|
|
|
В 2023 году международное исследовательское сотрудничество, возглавляемое Университетом Ростока и Центром Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), впервые использовало высокоэффективный лазер DIPOLE 100-X на европейской выставке XFEL с заявленной целью измерения вещества при экстремальном давлении. С впечатляющими результатами: В этом первоначальном эксперименте им удалось изучить жидкий углерод — беспрецедентное достижение, о котором исследователи сообщают в журнале Nature.
|
|
|
|
Жидкий углерод можно найти, например, в недрах планет, и он играет важную роль в будущих технологиях, таких как ядерный синтез. Однако до настоящего времени об углероде в его жидкой форме было известно очень мало, поскольку в этом состоянии его практически невозможно было изучить в лаборатории: при нормальном давлении углерод не плавится, а сразу переходит в газообразное состояние.
|
|
|
|
Только при экстремальном давлении и температуре около 4500 градусов Цельсия — самой высокой температуре плавления любого материала — углерод становится жидким. Ни один контейнер не выдержит этого.
|
|
|
|
С другой стороны, лазерное сжатие может превратить твердый углерод в жидкость за доли секунды. И задача состояла в том, чтобы использовать эти доли секунды для проведения измерений. Ранее немыслимым образом это стало возможным благодаря европейскому XFEL, крупнейшему в мире рентгеновскому лазеру с ультракороткими импульсами, расположенному в Шенефельде, недалеко от Гамбурга.
|
|
|
|
|
|
|
Уникальная измерительная технология в таком сочетании
|
|
|
|
Уникальное сочетание европейского лазера XFEL с высокоэффективным лазером DIPOLE100-X имело решающее значение для успеха эксперимента. Он был разработан Британским советом по научно-техническому обеспечению и предоставлен ученым со всего мира консорциумом пользователей HIBEF (Международная лучевая линия Гельмгольца для экстремальных областей).
|
|
|
|
Сообщество ведущих международных исследовательских институтов на экспериментальной станции HED-HIBEF (High Energy Density) в Европейском центре XFEL впервые объединило мощное лазерное сжатие со сверхбыстрым рентгеновским анализом и рентгеновскими детекторами большой площади.
|
|
|
|
В ходе эксперимента высокоэнергетические импульсы лазера DIPOLE100-X направляют волны сжатия через твердый углеродный образец и разжижают материал за наносекунды, то есть за миллиардную долю секунды. В течение этой наносекунды образец облучается ультракороткой вспышкой рентгеновского лазера европейского производства XFEL. Атомы углерода рассеивают рентгеновское излучение аналогично тому, как свет дифрагируется на решетке. Дифракционная картина позволяет сделать выводы о текущем расположении атомов в жидком углероде.
|
|
|
|
Весь эксперимент длится всего несколько секунд, но повторяется много раз: каждый раз с небольшой задержкой рентгеновского импульса или при слегка отличающихся условиях давления и температуры. Множество снимков объединяются, чтобы создать видеофильм. Таким образом, исследователи смогли проследить переход от твердой фазы к жидкой шаг за шагом.
|
|
|
|
Структура, похожая на воду, и точная температура плавления определены.
|
|
|
|
Измерения показали, что у жидкого углерода есть четыре ближайших соседа, систематика которых аналогична структуре твердого алмаза.
|
|
|
|
"Это первый случай, когда мы смогли экспериментально наблюдать структуру жидкого углерода. Наш эксперимент подтверждает предсказания, сделанные с помощью сложного моделирования жидкого углерода. Мы смотрим на сложные формы из жидких, сравнимое с водой, что особые структурные свойства", - поясняет руководитель рабочей группы научно-исследовательского сотрудничества углерода, профессор Доминик Краус из Университета Ростока и HZDR.
|
|
|
|
Исследователям также удалось точно определить температуру плавления. До сих пор теоретические прогнозы относительно структуры и температуры плавления значительно расходились. Но точные знания имеют решающее значение для моделирования планет и некоторых концепций выработки энергии с помощью ядерного синтеза.
|
|
|
|
Первый дипольный эксперимент в европейской лаборатории XFEL также открывает новую эру в измерениях вещества под высоким давлением, как подчеркивает руководитель группы HED доктор Ульф Застрау: "Теперь у нас есть инструментарий для описания вещества в весьма экзотических условиях с невероятной детализацией".
|
|
|
|
И потенциал эксперимента далеко не исчерпан. В будущем результаты, на которые в настоящее время уходит несколько часов, могут быть получены за несколько секунд — как только комплекс автоматического управления и обработки данных заработает достаточно быстро.
|
|
|
|
Источник
|
