Lasery wysokiej mocy po raz pierwszy wytwarzają ciekły węgiel, rozwijając projekt ablatora fuzyjnego

Naukowcy zarejestrowali na stronie https://www.nature.com/articles/s41586-025-09035-6 pierwsze szczegółowe zdjęcia dyfrakcji rentgenowskiej ciekłego węgla pod ciśnieniem bliskim miliona atmosfer, ujawniające raczej przejściowy, tetraedrycznie związany płyn niż gęsto upakowaną zupę atomową. Pomiary, wykonane poprzez wystrzelenie lasera DiPOLE 100-X w szklisty węgiel i sondowanie wstrząśniętej materii impulsami 18 keV z europejskiego XFEL, pokazują około czterech najbliższych sąsiadów na atom - daleko od tuzina oczekiwanego w prostych cieczach - i stanowią solidny punkt odniesienia dla symulacji dynamiki kwantowo-molekularnej węgla w ekstremalnych warunkach.

Zespół zaobserwował przejście od amorficznego węgla do diamentu przy ~80 GPa, a następnie całkowite stopienie w ciecz przy ~160 GPa. Analiza fourierowska danych dyfrakcyjnych wykazała liczbę koordynacyjną pierwszej powłoki wynoszącą 3,78 ± 0,15 i skromny 7-procentowy skok objętości w stanie stopionym, wartości zgodne z ostatnimi obliczeniami pierwszorzędowymi. Dane te pozwoliły również na eksperymentalne oszacowanie utajonego ciepła topnienia (~130 kJ mol-1) i potwierdziły dodatnie nachylenie 11 K GPa-1 krzywej topnienia węgla w tym zakresie ciśnienia.

Taki mikroskopijny wgląd ma znaczenie dla fuzji inercyjnej (ICF). Obecne projekty zapłonu, w tym National Ignition Facility's national Ignition Facilityopierają się na powłoce węglowej (diamentowej) o dużej gęstości, która otacza i symetrycznie ściska tarczę deuterowo-trytową. Powłoka ta jest celowo doprowadzana do temperatury bliskiej temperaturze topnienia podczas początkowego wstrząsu; jej reakcja - wytrzymałość, nieprzezroczystość, pojemność cieplna - wyznacza scenę dla reszty implozji. Kompletny obraz struktury ciekłego węgla i jego równania stanu będzie zatem miał bezpośrednie przełożenie na przyszły projekt ablatora termojądrowego i predykcyjne modelowanie hydrodynamiczne.

Badanie podkreśla również lukę w wydajności między krystalicznymi i amorficznymi powłokami węglowymi. Pojawiające się koncepcje ICF badają warstwy amorficzne o niższej gęstości, bogate w wodór, aby złagodzić wstępne nagrzewanie i poprawić symetrię implozji. Nowe dane dotyczące stanu ciekłego oferują drogę do dostosowania tych warstw: dopasowania porowatości, dostrojenia głębokości optycznej i wyboru kompozycji, które utrzymują korzystne właściwości topnienia pod obciążeniem udarowym.

Poza bezpośrednią produkcją docelową, wyniki działają jako wysokiej jakości zestaw treningowy dla uczenia maszynowego potencjałów międzyatomowych, które znacznie przyspieszają symulacje dynamiki molekularnej węgla pod wpływem wstrząsów, umożliwiając osiągnięcie większych rozmiarów systemu i dłuższych skal czasowych niż byłoby to możliwe w innym przypadku.