الكربون عند ضغوط تبلغ 5 أضعاف ضغط لب الأرض يكسر سجل تكوين البلورات

يعتبر الكربون ، رابع أكثر العناصر وفرة في الكون ، لبنة بناء لجميع أشكال الحياة المعروفة ، كما أنه مادة موجودة في باطن الكواكب الخارجية الغنية بالكربون.

أظهرت عقود من التحقيقات المكثفة التي أجراها العلماء أن التركيب البلوري للكربون له تأثير كبير على خصائصه. بالإضافة إلى الجرافيت والماس ، وهما أكثر الهياكل الكربونية شيوعًا الموجودة في الضغوط المحيطة ، تنبأ العلماء بالعديد من الهياكل الجديدة للكربون التي يمكن العثور عليها عند ضغوط أكبر من 1000 جيجا باسكال (GPa). هذه الضغوط ، حوالي 2.5 ضعف الضغط في جوهر الأرض ، ذات صلة بنمذجة الكواكب الخارجية ولكن كان من المستحيل تحقيقها في المختبر.

هذا حتى الآن. في إطار برنامج Discovery Science ، الذي يسمح للعلماء الأكاديميين بالوصول إلى مرفق الإشعال الوطني الرائد في LLNL (NIF) ، نجح فريق دولي من الباحثين بقيادة LLNL وجامعة أكسفورد في قياس الكربون عند ضغوط تصل إلى 2000 جيجا باسكال (5 أضعاف الضغط في الأرض. الأساسية) ، وهو ما يقرب من ضعف الضغط الأقصى الذي تم عنده فحص الهيكل البلوري بشكل مباشر. تم الإبلاغ عن النتائج اليوم في طبيعة.

وقالت آمي جيني ، عالمة الفيزياء في LLNL ، المؤلف الرئيسي للدراسة: “اكتشفنا ، بشكل مفاجئ ، في ظل هذه الظروف أن الكربون لا يتحول إلى أي من المراحل المتوقعة ولكنه يحتفظ بهيكل الماس حتى أعلى ضغط”. “نفس الروابط بين الذرية فائقة القوة (التي تتطلب طاقات عالية للكسر) والمسؤولة عن البنية الماسية الثابتة للكربون والتي تستمر إلى أجل غير مسمى عند الضغط المحيط ، من المحتمل أيضًا أن تعيق تحوله فوق 1000 جيجا باسكال في تجاربنا.”

قاد المكون الأكاديمي لهذا التعاون البروفيسور جاستن وارك من جامعة أكسفورد ، الذي أشاد بسياسة الوصول المفتوح الخاصة بالمختبر.

قال “إن برنامج NIF Discovery Science مفيد للغاية للمجتمع الأكاديمي”. “إنه لا يسمح فقط لأعضاء هيئة التدريس الراسخين بفرصة تقديم مقترحات للتجارب التي سيكون من المستحيل إجراؤها في مكان آخر ، ولكن الأهم من ذلك يمنح الطلاب الخريجين ، وهم كبار علماء المستقبل ، الفرصة للعمل في منشأة فريدة تمامًا.”

استفاد الفريق – الذي شمل أيضًا علماء من مختبر جامعة روتشستر لطاقة الليزر (LLE) وجامعة يورك – من قوة وطاقة NIF العالية الفريدة والتشكيل الدقيق لنبضات الليزر لضغط الكربون الصلب إلى 2000 جيجا باسكال باستخدام ليزر على شكل منحدر نبضات. سمح لهم ذلك بقياس التركيب البلوري باستخدام منصة حيود الأشعة السينية والتقاط لقطة مدتها نانوثانية للشبكة الذرية. تضاعف هذه التجارب تقريبًا الضغط المرتفع القياسي الذي تم فيه تسجيل حيود الأشعة السينية على أي مادة.

وجد الباحثون أنه حتى عند تعرضهم لهذه الظروف الشديدة ، يحتفظ الكربون الصلب بهيكله الماسي بعيدًا عن نظام الاستقرار المتوقع ، مما يؤكد التنبؤات بأن قوة الروابط الجزيئية في الماس تستمر تحت ضغط هائل. ينتج عن هذا حواجز كبيرة للطاقة تعيق التحويل إلى هياكل كربونية أخرى.

قال جيني: “ما إذا كانت الطبيعة قد وجدت طريقة للتغلب على حاجز الطاقة العالي لتشكيل المراحل المتوقعة في الأجزاء الداخلية للكواكب الخارجية لا يزال سؤالًا مفتوحًا”. “مزيد من القياسات باستخدام مسار ضغط بديل أو البدء من تآصل من كربون مع ذري بناء التي تتطلب طاقة أقل لإعادة الترتيب ستوفر مزيدًا من البصيرة “.