(David Talukdar/Moment/Getty Images) Diamanten können etwas Druck aushalten. Überarbeiten Sie das tatsächlich – Diamanten können viel Druck aushalten. In einer Reihe neuer Experimente haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Diamanten ihre Kristallstruktur auch bei Drücken behalten, die fünfmal höher sind als im Erdkern.
Dies widerspricht den Vorhersagen, dass sich Diamant unter extrem hohem Druck in eine noch stabilere Struktur umwandeln sollte, was darauf hindeutet, dass Diamant unter Bedingungen an einer Form festklebt, unter denen eine andere Struktur stabiler wäre, was als „metastabil“ bezeichnet wird.
Die Entdeckung hat Auswirkungen auf die Modellierung von Hochdruckumgebungen wie den Kernen kohlenstoffreicher Planeten.
Kohlenstoff ist so häufig wie es nur geht. Es ist das vierthäufigste Element im Universum und kommt in Exoplaneten und Sternen vor Raum dazwischen . Es ist auch ein Hauptbestandteil allen bekannten Lebens auf der Erde. Ohne sie würden wir nicht existieren; Deshalb bezeichnen wir uns selbst als kohlenstoffbasiertes Leben.
Daher ist Kohlenstoff für Wissenschaftler aller Art von großem Interesse. Allerdings ist ein Ort, an dem Kohlenstoff gefunden werden kann – die Kerne kohlenstoffreicher Exoplaneten – sehr schwer zu untersuchen. Die dort herrschenden hohen Drücke sind schwer zu reproduzieren und sobald hohe Drücke erreicht sind, ist es schwierig, das komprimierte Material zu untersuchen.
Wir wissen, dass Kohlenstoff bei Umgebungsdrücken mehrere Allotrope oder Variantenstrukturen mit deutlich unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften aufweist. Kohle, Graphit und Diamant bilden sich alle bei unterschiedlichen Drücken, wobei Diamant bei auftritt höherer Druck tief unter der Erde , beginnend bei etwa 5 oder 6 Gigapascal.
Der Druck im Erdkern beträgt bis zu etwa 360 Gigapascal. Bei noch höheren Drücken – etwa 1.000 Gigapascal, etwas mehr als dem 2,5-fachen des Drucks im Erdkern – haben Wissenschaftler vorhergesagt, dass sich Kohlenstoff erneut in mehrere neue Strukturen umwandeln würde, die wir noch nie zuvor gesehen oder erreicht haben.
Eine Methode, wahnsinnig hohe Drücke zu erreichen, beinhaltet die Verwendung eines Diamantambosses und Stoßkompression. Bei dieser Methode wurde Kohlenwasserstoff ausgesetzt 45.000 Gigapascal . Bei dieser Methode wird die Probe tendenziell zerstört, bevor ihre Struktur untersucht werden kann.
Ein Team unter der Leitung der Physikerin Amy Lazicki Jenei vom Lawrence Livermore National Laboratory hat einen anderen Weg gefunden, es zum Laufen zu bringen. Mithilfe rampenförmiger Laserpulse pressten sie eine Probe aus festem Kohlenstoff auf einen Druck von 2.000 Gigapascal. Gleichzeitig wurde zeitaufgelöste Röntgenbeugung im Nanosekundenbereich eingesetzt, um die Kristallstruktur der Probe zu untersuchen.
Dadurch wurde der bisherige Druck, bei dem ein Material mittels Röntgenbeugung untersucht wurde, mehr als verdoppelt. Und die Ergebnisse überraschten das Team.
„Überraschenderweise haben wir herausgefunden, dass sich Kohlenstoff unter diesen Bedingungen nicht in eine der vorhergesagten Phasen umwandelt, sondern die Diamantstruktur bis zum höchsten Druck beibehält.“ sagte Jenei .
„Die gleichen ultrastarken interatomaren Bindungen (deren Aufbrechen hohe Energien erfordert), die dafür verantwortlich sind, dass die metastabile Diamantstruktur des Kohlenstoffs bei Umgebungsdruck unbegrenzt bestehen bleibt, behindern in unseren Experimenten wahrscheinlich auch seine Umwandlung über 1.000 Gigapascal.“
Mit anderen Worten: Diamant entspannt sich nicht wieder in Graphit, wenn er aus der Tiefe des Untergrunds gefördert wird: von höheren Drücken zu niedrigeren. Die Stärke, die diese Umkehr verhindert, könnte der Grund dafür sein, dass sich Diamant bei noch höheren Drücken als denen, bei denen er gebildet wurde, nicht in ein anderes Allotrop umlagert.
Diese Entdeckung könnte die Art und Weise verändern, wie Wissenschaftler kohlenstoffreiche Exoplaneten, einschließlich der mythischen, modellieren und analysieren Diamantplaneten .
In der Zwischenzeit muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um das Ergebnis zu verstehen. Das Team ist sich nicht ganz sicher, warum Diamant so stark ist – es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um herauszufinden, warum Diamant über einen weiten Druckbereich hinweg metastabil ist.
„Ob die Natur einen Weg gefunden hat, die hohe Energiebarriere zur Bildung der vorhergesagten Phasen im Inneren von Exoplaneten zu überwinden, ist immer noch eine offene Frage.“ sagte Jenei .
„Weitere Messungen unter Verwendung eines alternativen Kompressionswegs oder ausgehend von einem Allotrop von Kohlenstoff mit einer Atomstruktur, die weniger Energie für die Neuordnung erfordert, werden weitere Erkenntnisse liefern.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .