الماس یکی از سختترین مواد طبیعی شناختهشده روی زمین است، اما حتی این گوهرسنگ فوقالعاده سخت هم در شرایط مناسب میتواند ذوب شود.
حالا پژوهشگران در آزمایشی جدید، یک الماس را تحت فشار و دمای فوقالعاده بالا قرار داده و تا مرز ذوب شدن پیش بردهاند. اما چیزی که در این آزمایش جالب بود، نحوه ذوب شدن الماس بود.
دانشمندان انتظار داشتند الماس پیش از ذوب شدن، ابتدا ساختار اتمی خود را تغییر دهد و به شکل دیگری از کربن به نام BC8 تبدیل شود. اما مشاهدات جدید نشان داد که الماس تا لحظه ذوب شدن، ساختار کریستالی معمول خود را حفظ میکند و سپس مستقیماً به کربن مایع تبدیل میشود.
نمایی از درون محفظه هدف OMEGA در آزمایشگاه انرژی لیزری دانشگاه روچستر، جایی که محققان از امواج ضربهای قدرتمند هدایتشده توسط لیزر برای بررسی چگونگی ذوب شدن الماس تحت فشار شدید استفاده کردند
ذوب کردن الماس آسان نیست!
برای ذوب کردن الماس نمیتوان آن را مثل یخ روی شعله قرار داد!
الماس از اتمهای کربن تشکیل شده که در یک ساختار کریستالی بسیار منظم و محکم کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. برای ذوب شدن آن باید شرایطی بسیار شدید ایجاد شود.
پژوهشگران این کار را با استفاده از تأسیسات لیزری OMEGA در دانشگاه روچستر انجام دادند. آنها پالسهای بسیار قدرتمند لیزر را به نمونههای بسیار کوچک الماس تاباندند و با ایجاد موجهای شوک، فشارهایی بین حدود ۶۰۰ گیگاپاسکال تا ۱.۸ تراپاسکال ایجاد کردند.
برای درک بزرگی این عدد، یک تراپاسکال برابر با ۱۰۰۰ گیگاپاسکال است؛ یعنی فشار ایجادشده در این آزمایش میلیونها برابر فشار معمول جو زمین بود.
دمای ذوب الماس چقدر است؟
یکی از اهداف مهم این آزمایش، مشخص کردن دقیقتر دمای ذوب الماس بود.
اندازهگیریهای قدیمیتر با پیشبینیهای نظری سازگاری کاملی نداشتند و دمای ذوب بهدستآمده از آزمایشهای قبلی حدود ۲۰ درصد با محاسبات کوانتومی اختلاف داشت.
تصویری از ذوب الماس مکعبی و تبدیل آن به کربن مایع
اما آزمایش جدید نتیجه متفاوتی ارائه کرد.
پژوهشگران دریافتند که در فشاری حدود ۱ تراپاسکال، الماس در دمایی نزدیک به ۷۳۰۰ کلوین ذوب میشود. این نتیجه با محاسبات نظری جدید سازگاری بسیار بیشتری دارد.
برای مقایسه، این دما از دمای سطح خورشید نیز بیشتر است.
قرار بود الماس به ساختار BC8 تبدیل شود
اما بخش هیجانانگیز آزمایش اینجا بود.
مدلهای نظری پیشبینی کرده بودند که با افزایش فشار تا حدود یک تراپاسکال، ساختار معمول الماس برای مدت کوتاهی تغییر کند و به ساختاری دیگر از کربن به نام BC8 تبدیل شود.
BC8 یک ساختار بلوری متفاوت برای کربن است که در فشارهای بسیار بالا میتواند از نظر ترمودینامیکی مناسبتر باشد.
برخی آزمایشهای قدیمیتر نیز بهعنوان نشانهای از این تغییر ساختار تفسیر شده بودند. اما مشکل این بود که آزمایشهای قبلی حساسیت کافی برای مشاهده مستقیم این مرحله را نداشتند.
اما BC8 اصلاً دیده نشد!
پژوهشگران برای بررسی دقیقتر، این بار هنگام فشرده شدن الماس از پرتوهای ایکس استفاده کردند تا بتوانند ساختار اتمهای آن را در لحظه آزمایش مشاهده کنند.
نتیجه بسیار جالب بود.
با افزایش فشار، سیگنال پراش پرتو ایکس مربوط به الماس بهتدریج ضعیف شد؛ یعنی مقدار ساختار کریستالی الماس کاهش پیدا میکرد.
اما تا زمانی که ساختار کریستالی قابل تشخیص بود، همان ساختار مکعبی معمول الماس باقی مانده بود.
هیچ نشانه قابلتوجهی از تشکیل ساختار BC8 مشاهده نشد.
در نهایت، سیگنال کریستالی کاملاً از بین رفت و مشخص شد که الماس ذوب شده است.
بنابراین به نظر میرسد الماس در این شرایط، فرصت پیدا نمیکند که ابتدا به BC8 تبدیل شود.
چرا الماس مستقیماً ذوب شد؟
پژوهشگران یک توضیح احتمالی برای این اتفاق دارند.
برای تبدیل الماس به BC8، اتمهای کربن باید از جایگاههای خود خارج شوند و پیوندهای بسیار قوی میان آنها شکسته و دوباره مرتب شوند.
یک الماس در مرکز یک لیزر OMEGA که برای مطالعه الماس تحت فشار شدید طراحی شده است. نور سفید روشن، پلاسمایی است که در طول آزمایش تولید میشود.
فرایند ذوب الماس به انرژی و زمان نیاز دارد
در آزمایش جدید، فشار با سرعت بسیار زیادی ایجاد شد. بنابراین ممکن است الماس پیش از آنکه اتمهای کربن فرصت کافی برای بازآرایی داشته باشند، مستقیماً ذوب شده باشد.
به بیان سادهتر:
الماس آنقدر سریع تحت فشار قرار گرفت که فرصت تغییر شکل به BC8 را پیدا نکرد و قبل از آن ذوب شد.
اتفاق عجیبتر؛ الماس روی کربن مذاب شناور میشود!
یکی از جالبترین نتایج این آزمایش به چگالی الماس مربوط میشود.
در فشارهای بسیار بالا، الماس جامد چگالی کمتری از کربن مایعی دارد که هنگام ذوب شدن از آن ایجاد میشود.
این وضعیت شباهت جالبی به یخ و آب دارد.
یخ چگالی کمتری از آب دارد و به همین دلیل روی آب شناور میشود.
در شرایط بسیار شدید آزمایش نیز شرایط مشابهی برای کربن اتفاق میافتد:
الماس جامد میتواند روی کربن مایع شناور بماند.
این رفتار همچنین باعث یک پدیده غیرعادی دیگر میشود؛ در بخشی از محدوده ذوب، افزایش فشار میتواند به جای افزایش دمای ذوب، باعث کاهش دمای ذوب الماس شود.
این آزمایش چه ارتباطی با سیارات دارد؟
شرایطی که در این آزمایش ایجاد شد، بسیار شبیه برخی شرایط موجود در اعماق سیارات غول یخی مانند اورانوس و نپتون است.
دانشمندان تصور میکنند کربن در اعماق این سیارات ممکن است تحت فشار و دماهای بسیار بالا قرار داشته باشد.
بنابراین شناخت رفتار الماس و کربن در چنین شرایطی میتواند به دانشمندان کمک کند تا مدلهای دقیقتری از ساختار داخلی این سیارات ایجاد کنند.
کاربرد این تحقیق در انرژی هستهای
این پژوهش فقط برای شناخت رفتار الماس در اعماق سیارات انجام نشده است.
الماس در برخی آزمایشهای همجوشی هستهای با محصورسازی لختی (Inertial Confinement Fusion) نیز کاربرد دارد. در این آزمایشها، کپسولهای بسیار کوچک حاوی سوخت با استفاده از لیزرهای قدرتمند تحت فشار فوقالعاده زیاد قرار میگیرند.
شناخت دقیقتر رفتار کربن و الماس در این شرایط میتواند به دانشمندان کمک کند مدلهای رایانهای دقیقتری برای طراحی آزمایشهای همجوشی ایجاد کنند.
پژوهشگران میگویند در شبیهسازیهایی که از مدل جدید رفتار کربن استفاده شده، میزان انرژی قابلدستیابی از همجوشی در برخی شرایط میتواند تا حدود سه برابر بیشتر از پیشبینیهای قبلی باشد.
چیدمان آزمایش و اندازهگیریهای پراش پرتو ایکس الماس تحت فشار فزاینده. سیگنال پراش از الماس تحت شوک با افزایش فشار ضعیف میشود و با ذوب شدن الماس ناپدید میگردد.
الماس تا آخرین لحظه الماس باقی ماند!
این آزمایش یک تصور قدیمی درباره رفتار الماس در فشارهای بسیار بالا را به چالش کشیده است.
پژوهشگران انتظار داشتند الماس ابتدا به ساختار BC8 تبدیل شود و سپس ذوب شود، اما شواهد جدید نشان میدهد که در شرایط بسیار سریع این آزمایش، الماس ساختار مکعبی معمول خود را تا نزدیک نقطه ذوب حفظ میکند.
سپس ساختار کریستالی از بین میرود و کربن مایع تشکیل میشود.
شاید عجیبترین بخش ماجرا این باشد که در این شرایط فوقالعاده شدید، الماس جامد حتی میتواند از کربن مایع اطراف خود سبکتر باشد و روی آن شناور بماند.
نمودار فازی کربن در فشار و دمای بسیار بالا؛ در این نمودار محدوده پایداری فازهای مختلف کربن، از جمله الماس و ساختار BC8، در شرایط نشان داده شده است.
بیشتر بخوانید:
تراش هگزاگون (ششضلعی) الماس دوباره محبوب شد
الماس طبیعی همچنان انتخاب اول در بازار آمریکا
الماس کولینان، بزرگترین الماس راف کشف شده
الماس جاودانه است
جمعبندی
الماس در شرایط عادی نماد سختی و پایداری است، اما آزمایش جدید نشان داده که در فشارهایی نزدیک به ۱ تراپاسکال و دمای حدود ۷۳۰۰ کلوین، این گوهرسنگ نیز سرانجام ذوب میشود.
مهمتر از خود ذوب شدن، چیزی است که پیش از آن اتفاق نیفتاد: الماس به ساختار BC8 تبدیل نشد.
پژوهشگران احتمال میدهند سرعت بسیار زیاد فشردهسازی باعث شده اتمهای کربن فرصت لازم برای تغییر ساختار را پیدا نکنند و الماس مستقیماً به کربن مایع تبدیل شود.
این یافته علاوه بر شناخت بهتر رفتار کربن در شرایط فوقالعاده شدید، میتواند برای مطالعه اعماق اورانوس و نپتون و همچنین بهبود مدلهای مربوط به همجوشی هستهای اهمیت داشته باشد.
نظرات کاربران