Misurata per la prima volta la struttura del carbonio liquido
Un team di ricerca completa un esperimento innovativo all'European XFEL
Con l'obiettivo dichiarato di misurare la materia in condizioni di estrema pressione, una collaborazione di ricerca internazionale guidata dall'Università di Rostock e dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha utilizzato per la prima volta nel 2023 il laser ad alte prestazioni DIPOLE 100-X presso l'XFEL europeo. Con risultati spettacolari: In questo primo esperimento sono riusciti a studiare il carbonio liquido - un risultato senza precedenti, come riferiscono i ricercatori nella rivista Nature.
Il carbonio liquido si trova, ad esempio, all'interno dei pianeti e svolge un ruolo importante nelle tecnologie future come la fusione nucleare. Finora, però, si sapeva pochissimo del carbonio in forma liquida, perché in questo stato era praticamente impossibile studiarlo in laboratorio: A pressione normale il carbonio non si scioglie, ma passa immediatamente allo stato gassoso. Solo a pressioni estreme e a temperature di circa 4.500 gradi Celsius - il punto di fusione più alto di qualsiasi materiale - il carbonio diventa liquido. Nessun contenitore potrebbe resistere.
La compressione laser, invece, può trasformare il carbonio solido in liquido per frazioni di secondo. La sfida consisteva nell'utilizzare queste frazioni di secondo per effettuare misurazioni. In modo inimmaginabile, ciò è ora diventato realtà presso l'European XFEL, il più grande laser a raggi X del mondo con impulsi ultracorti, a Schenefeld, vicino ad Amburgo.
Tecnologia di misura unica in questa combinazione
La combinazione unica dell'XFEL europeo con il laser ad alte prestazioni DIPOLE100-X è stata fondamentale per il successo dell'esperimento. È stata sviluppata dal British Science and Technology Facilities Council e messa a disposizione degli scienziati di tutto il mondo dal Consorzio di utenti HIBEF (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields). Una comunità di importanti istituti di ricerca internazionali presso la stazione sperimentale HED-HIBEF (High Energy Density) dell'XFEL europeo ha ora combinato per la prima volta una potente compressione laser con un'analisi ultraveloce dei raggi X e con rivelatori di raggi X a grande superficie.
Nell'esperimento, gli impulsi ad alta energia del laser DIPOLE100-X guidano le onde di compressione attraverso un campione di carbonio solido e liquefanno il materiale per nanosecondi, cioè per un miliardesimo di secondo. Durante questo nanosecondo, il campione viene irradiato con il flash laser a raggi X ultracorti dell'XFEL europeo. Gli atomi di carbonio diffondono la luce dei raggi X, in modo simile a come la luce viene diffratta da una griglia. Il modello di diffrazione consente di trarre conclusioni sulla disposizione attuale degli atomi nel carbonio liquido.
L'intero esperimento dura solo pochi secondi, ma viene ripetuto molte volte: ogni volta con un impulso di raggi X leggermente ritardato o in condizioni di pressione e temperatura leggermente diverse. Molte istantanee si combinano per formare un filmato. I ricercatori sono così riusciti a tracciare la transizione dalla fase solida a quella liquida un passo alla volta.
Determinazione di una struttura simile all'acqua e di un punto di fusione preciso
Le misurazioni hanno rivelato che, con quattro vicini più prossimi, la sistematica del carbonio liquido è simile a quella del diamante solido. "È la prima volta che siamo riusciti a osservare sperimentalmente la struttura del carbonio liquido. Il nostro esperimento conferma le previsioni fatte da sofisticate simulazioni del carbonio liquido. Siamo di fronte a una forma complessa di liquido, paragonabile all'acqua, con proprietà strutturali molto particolari", spiega il responsabile del gruppo di lavoro sul carbonio della collaborazione di ricerca, il Prof. Dominik Kraus dell'Università di Rostock e dell'HZDR.
I ricercatori sono anche riusciti a definire con precisione il punto di fusione. Finora, le previsioni teoriche sulla struttura e sul punto di fusione divergevano notevolmente. Ma una conoscenza precisa è fondamentale per la modellazione dei pianeti e per alcuni concetti di generazione di energia attraverso la fusione nucleare.
Il primo esperimento DIPOLE presso l'XFEL europeo inaugura anche una nuova era nella misurazione della materia ad alta pressione, come sottolinea il responsabile del gruppo HED, il dott. Ulf Zastrau: "Ora disponiamo dello strumento per caratterizzare la materia in condizioni altamente esotiche in modo incredibilmente dettagliato". Il potenziale dell'esperimento è lungi dall'essere esaurito. In futuro, i risultati che attualmente richiedono diverse ore di esperimento potrebbero essere disponibili in pochi secondi, non appena il complesso controllo automatico e l'elaborazione dei dati funzioneranno abbastanza velocemente.
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Pubblicazione originale
D. Kraus, J. Rips, M. Schörner, M. G. Stevenson, J. Vorberger, D. Ranjan, J. Lütgert, B. Heuser, J. H. Eggert, H.-P. Liermann, I. I. Oleynik, S. Pandolfi, R. Redmer, A. Sollier, C. Strohm, T. J. Volz, B. Albertazzi, S. J. Ali, L. Antonelli, C. Bähtz, O. B. Ball, S. Banerjee, A. B. Belonoshko, C. A. Bolme, V. Bouffetier, ... J. T. Willman, L. Wollenweber, U. Zastrau, E. Brambrink, K. Appel, M. I. McMahon; "The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction"; Nature, 2025-5-21
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