4500 градусів і лічені наносекунди: учені вперше «розплавили» вуглець

Вперше в історії науки дослідники досягли неможливого: вони отримали рідкий вуглець — речовину, яку раніше вважали недосяжною в лабораторних умовах. Цей прорив став результатом співпраці вчених з Університету Ростока в Німеччині та британського агентства з наукових інновацій.

Вуглець — елемент із надзвичайно високою температурою плавлення, що сягає приблизно 4500 градусів за Цельсієм. За звичайного тиску при нагріванні він одразу перетворюється на газ, оминаючи рідку фазу. Це робило вивчення вуглецю в рідкому стані майже неможливим завданням.

Проте дослідникам вдалося створити екстремальні умови, за яких вуглець таки стає рідким — хоч і лише на лічені наносекунди.

Для цього вони застосували два передові інструменти:

• DiPOLE 100-X — надпотужний лазер, розроблений у Великобританії, що генерує імпульси енергією 100 джоулів тривалістю лише 10 наносекунд.

• Рентгенівський лазер XFEL у Німеччині — один із найсучасніших у світі.

За допомогою DiPOLE створювалися ударні хвилі, які стискали й нагрівали зразки вуглецю до неймовірних значень температури та тиску. Водночас XFEL із атомною точністю фіксував процес, записуючи структуру матеріалу в рідкій фазі.

Кожен такий експеримент тривав лише кілька наносекунд, але вчені провели сотні повторів, змінюючи параметри, щоб отримати повну картину фазового переходу.

У результаті вдалося не лише довести існування рідкого вуглецю, а й розгледіти, як він влаштований. Виявилося, що в розплавленому стані атоми вуглецю розташовуються подібно до структури алмазу — кожен атом оточений чотирма іншими.

Рідкий вуглець може відіграти ключову роль у майбутніх реакторах термоядерного синтезу. Його унікальні властивості роблять його ідеальним охолоджувальним агентом і потенційним сповільнювачем нейтронів, що критично важливо для стабільної роботи таких систем. Крім того, рідкий вуглець відкриває двері до створення нових наноматеріалів, зокрема наноалмазів, які можуть знайти застосування в квантових сенсорах, медицині та інших високотехнологічних галузях.