Международная команда учёных под руководством исследователей Университета Ростока и Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф впервые использовала мощный лазер DIPOLE 100-X и крупнейший в мире рентгеновский лазер European XFEL для изучения жидкого углерода. Этот эксперимент позволил заглянуть в свойства вещества при экстремальных условиях, что ранее считалось невозможным. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Фото: HZDR / M. Künsting
Углерод в жидком виде встречается, например, внутри планет, таких как Юпитер или Нептун, и играет ключевую роль в перспективных технологиях, таких как ядерный синтез — процесс, который может обеспечить человечество чистой энергией. Но изучить жидкий углерод в лаборатории невероятно сложно. При обычном давлении углерод не плавится, а сразу превращается в газ. Чтобы он стал жидким, нужны экстремальные условия: давление в тысячи раз выше атмосферного и температура около 4500 °C — это самая высокая температура плавления среди всех материалов, ни один контейнер не выдержит таких условий.
Учёные использовали уникальную комбинацию двух передовых технологий: мощного лазера DIPOLE 100-X и рентгеновского лазера European XFEL. Лазер DIPOLE 100-X, разработанный британским Советом по науке и технологиям, создаёт мощные импульсы, которые сжимают твёрдый углерод, превращая его в жидкость на доли секунды — буквально на наносекунды (миллиардные доли секунды). В этот краткий момент рентгеновский лазер XFEL «фотографирует» атомы углерода, излучая сверхкороткие вспышки рентгеновского света.
Эти вспышки, сталкиваясь с атомами, создают узор, похожий на тот, что появляется, когда свет проходит через решётку. Этот узор позволяет учёным понять, как расположены атомы в жидком углероде. Эксперимент повторяли много раз, немного меняя момент вспышки или условия давления и температуры. Из множества таких «снимков» учёные собрали своеобразный «фильм», показывающий, как углерод переходит из твёрдого состояния в жидкое.
Исследование показало, что жидкий углерод по своей структуре похож на алмаз: каждый атом окружён четырьмя «соседями». Это делает его похожим на воду — сложную жидкость с уникальными свойствами. Учёные также точно определили температуру плавления углерода, подтвердив предсказания сложных компьютерных моделей.
«Это первый случай, когда мы смогли экспериментально изучить структуру жидкого углерода. Наши данные подтверждают, что жидкий углерод — это сложное вещество с особыми свойствами, сравнимыми с водой», — сказал профессор Доминик Краус, руководитель группы по изучению углерода.
Этот прорыв открывает новые горизонты для науки. Понимание свойств жидкого углерода поможет лучше изучить внутреннее строение планет, где такие условия обычны. Это также важно для разработки технологий ядерного синтеза, где углерод может играть ключевую роль. Кроме того, эксперимент показал, что комбинация мощных лазеров и рентгеновских технологий позволяет исследовать вещества в экстремальных условиях, которые раньше были недоступны.
