Estrutura do carbono líquido medida pela primeira vez
Equipa de investigação conclui experiência inovadora no XFEL europeu
Com o objetivo declarado de medir a matéria sob pressão extrema, uma colaboração internacional de investigação liderada pela Universidade de Rostock e pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) utilizou pela primeira vez em 2023 o laser de alto desempenho DIPOLE 100-X no XFEL europeu. Com resultados espectaculares: Nesta primeira experiência, conseguiram estudar o carbono líquido - um feito sem precedentes, como referem os investigadores na revista Nature.
O carbono líquido pode ser encontrado, por exemplo, no interior dos planetas e desempenha um papel importante em tecnologias futuras como a fusão nuclear. No entanto, até à data, pouco se sabia sobre o carbono na sua forma líquida porque, neste estado, era praticamente impossível estudá-lo em laboratório: Sob pressão normal, o carbono não derrete, mas transforma-se imediatamente num estado gasoso. Só sob pressão extrema e a temperaturas de aproximadamente 4.500 graus Celsius - o ponto de fusão mais alto de qualquer material - é que o carbono se torna líquido. Nenhum contentor resistiria a isso.
A compressão a laser, por outro lado, pode transformar o carbono sólido em líquido durante fracções de segundo. E o desafio era utilizar estas fracções de segundo para fazer medições. De uma forma anteriormente inimaginável, isto tornou-se agora realidade no XFEL europeu, o maior laser de raios X do mundo com os seus impulsos ultra-curtos, em Schenefeld, perto de Hamburgo.
Tecnologia de medição única nesta combinação
A combinação única do XFEL europeu com o laser de alto desempenho DIPOLE100-X foi crucial para o sucesso da experiência. Foi desenvolvida pelo British Science and Technology Facilities Council e disponibilizada a cientistas de todo o mundo pelo Consórcio de Utilizadores HIBEF (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields). Uma comunidade de instituições de investigação internacionais de renome na estação experimental HED-HIBEF (High Energy Density) no XFEL europeu combinou agora, pela primeira vez, uma poderosa compressão laser com análises ultra-rápidas de raios X e detectores de raios X de grande área.
Na experiência, os impulsos de alta energia do laser DIPOLE100-X conduzem ondas de compressão através de uma amostra sólida de carbono e liquefazem o material durante nanossegundos, ou seja, durante um bilionésimo de segundo. Durante este nanossegundo, a amostra é irradiada com o flash laser ultracurto de raios X do XFEL europeu. Os átomos de carbono dispersam a luz de raios X - semelhante à forma como a luz é difractada por uma grelha. O padrão de difração permite fazer inferências sobre a disposição atual dos átomos no carbono líquido.
Toda a experiência dura apenas alguns segundos, mas é repetida muitas vezes: de cada vez com um impulso de raios X ligeiramente atrasado ou sob condições de pressão e temperatura ligeiramente diferentes. Muitas imagens instantâneas combinam-se para formar um filme. Os investigadores conseguiram, assim, traçar a transição da fase sólida para a fase líquida, um passo de cada vez.
Estrutura semelhante à da água e determinação exacta do ponto de fusão
As medições revelaram que, com quatro vizinhos mais próximos cada, os sistemas do carbono líquido são semelhantes aos do diamante sólido. "Esta é a primeira vez que conseguimos observar experimentalmente a estrutura do carbono líquido. A nossa experiência confirma as previsões feitas por simulações sofisticadas do carbono líquido. Estamos a olhar para uma forma complexa de líquido, comparável à água, que tem propriedades estruturais muito especiais", explica o chefe do Grupo de Trabalho de Carbono da colaboração de investigação, Prof. Dominik Kraus da Universidade de Rostock e HZDR.
Os investigadores também conseguiram reduzir com precisão o ponto de fusão. Até à data, as previsões teóricas sobre a estrutura e o ponto de fusão divergiam significativamente. Mas o conhecimento exato é crucial para a modelação do planeta e para certos conceitos de produção de energia através da fusão nuclear.
A primeira experiência DIPOLE no XFEL europeu inaugura também uma nova era na medição da matéria sob alta pressão, como sublinha o líder do grupo HED, Dr. Ulf Zastrau: "Dispomos agora da caixa de ferramentas para caraterizar a matéria sob condições altamente exóticas com um detalhe incrível". E o potencial da experiência está longe de estar esgotado. No futuro, os resultados que atualmente demoram várias horas de experiência poderão estar disponíveis em poucos segundos - logo que o complexo controlo automático e o processamento de dados funcionem com rapidez suficiente.
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Publicação original
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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