Το διαμάντι θεωρείται το σκληρότερο φυσικό ορυκτό, όμως ακόμη και αυτό μπορεί να αλλάξει δραματικά όταν βρεθεί αντιμέτωπο με ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες. Τώρα, επιστήμονες στις ΗΠΑ κατάφεραν να παρατηρήσουν για πρώτη φορά με ιδιαίτερη λεπτομέρεια τη συμπεριφορά του υλικού σε συνθήκες που προσεγγίζουν ακραία πλανητικά περιβάλλοντα, προσφέροντας νέα δεδομένα που θα μπορούσαν να αποδειχθούν σημαντικά για την ανάπτυξη της πυρηνικής σύντηξης.
Ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore (LLNL) μελέτησαν τη συμπεριφορά του διαμαντιού σε πιέσεις έως και τρεις φορές μεγαλύτερες από εκείνες που επικρατούν στον πυρήνα της Γης. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Physics.
Για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν εξαιρετικά μικρά δείγματα διαμαντιού, τα οποία υποβλήθηκαν σε απότομη συμπίεση μέσω ισχυρών κρουστικών κυμάτων. Οι συνθήκες που δημιουργήθηκαν αντιστοιχούσαν σε θερμοκρασίες υψηλότερες από εκείνες στην επιφάνεια του Ήλιου και πιέσεις που ξεπερνούν κατά πολύ αυτές που επικρατούν στο εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα.
Παρά το ακραίο περιβάλλον, οι ερευνητές κατάφεραν να καταγράψουν την ατομική δομή του υλικού, τη θερμοκρασία και την πυκνότητά του, αλλά και τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρά με το φως.
Πώς λιώνει το διαμάντι;
Η μελέτη έρχεται να απαντήσει σε ένα ερώτημα που απασχολεί την επιστημονική κοινότητα εδώ και περίπου δύο δεκαετίες. Προγενέστερα πειράματα είχαν δείξει ότι όταν το διαμάντι λιώνει σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, ο υγρός άνθρακας που προκύπτει μπορεί να είναι πυκνότερος από το στερεό υλικό.
Πρόκειται για μια ασυνήθιστη συμπεριφορά, η οποία θυμίζει εκείνη του νερού: όπως το υγρό νερό έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από τον πάγο, έτσι και ο υγρός άνθρακας φαίνεται να μπορεί να είναι πυκνότερος από το διαμάντι.
Το πρόβλημα ήταν ότι τα πειραματικά δεδομένα δεν συμφωνούσαν με τις θεωρητικές προσομοιώσεις. Τα υπολογιστικά μοντέλα προέβλεπαν θερμοκρασία τήξης περίπου 20% διαφορετική από εκείνη που μετρούσαν οι επιστήμονες στο εργαστήριο.
Τα νέα πειράματα φαίνεται να περιορίζουν σημαντικά αυτή την απόκλιση. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η κρυσταλλική δομή του διαμαντιού παραμένει σταθερή σε πιέσεις που φτάνουν περίπου το ένα τεραπασκάλ. Παράλληλα, τα δεδομένα δείχνουν ότι υπό κρουστική συμπίεση το διαμάντι λιώνει σε θερμοκρασίες κοντά στους 7.300 Κέλβιν, δηλαδή περίπου 7.000 βαθμούς Κελσίου.
Ένα ακόμη ενδιαφέρον εύρημα είναι ότι η θερμοκρασία τήξης φαίνεται να μειώνεται ελαφρώς καθώς αυξάνεται η πίεση.
Γιατί ενδιαφέρει την πυρηνική σύντηξη
Η ανακάλυψη αποκτά ιδιαίτερη σημασία στον τομέα της αδρανειακής πυρηνικής σύντηξης. Στη συγκεκριμένη προσέγγιση, πανίσχυρες δέσμες λέιζερ χρησιμοποιούνται για να συμπιέσουν μικροσκοπικές κάψουλες καυσίμου μέχρι να δημιουργηθούν οι ακραίες συνθήκες που απαιτούνται για την έναρξη της σύντηξης. Σε ορισμένες από αυτές τις εγκαταστάσεις, οι κάψουλες κατασκευάζονται από διαμάντι.
Η ακριβέστερη γνώση του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρεται το διαμάντι σε ακραίες συνθήκες θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να βελτιώσουν τον σχεδιασμό των καψουλών και να κάνουν τα πειράματα σύντηξης πιο αποδοτικά.
Σύμφωνα με το LLNL, η καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων του υλικού θα μπορούσε θεωρητικά να συμβάλει ακόμη και σε σημαντική αύξηση της ενεργειακής απόδοσης, με ορισμένες εκτιμήσεις να κάνουν λόγο για πιθανό τριπλασιασμό.
Ένα παράθυρο στο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων
Η έρευνα δεν αφορά μόνο την ενεργειακή τεχνολογία. Τα νέα δεδομένα μπορούν να βοηθήσουν και στην κατανόηση των συνθηκών που επικρατούν βαθιά στο εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα.
Οι δύο πλανήτες χαρακτηρίζονται από τεράστιες πιέσεις και θερμοκρασίες στο εσωτερικό τους, όπου σύμφωνα με τα υπάρχοντα μοντέλα ο άνθρακας μπορεί να συμπιέζεται τόσο ώστε να σχηματίζει διαμάντια. Τα διαμάντια αυτά ενδέχεται στη συνέχεια να «βυθίζονται» προς βαθύτερα στρώματα, σε ένα εντυπωσιακό φαινόμενο που συχνά περιγράφεται ως «διαμαντένια βροχή».
Έτσι, η νέα μελέτη προσφέρει ταυτόχρονα στοιχεία για ένα από τα πιο απαιτητικά πεδία της σύγχρονης ενεργειακής έρευνας και για τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν σε μερικούς από τους πιο μυστηριώδεις πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος.