العلماء يذوبون الماس، ولكن الأمر لم يسير كما توقعوا

قد تشير أفلام السرقة إلى الماس على أنه ثلج، لكن ليس هناك الكثير من القواسم المشتركة بين المادتين الصلبتين.

بدءًا من الطريقة التي يتم بها ترتيب ذراتها في الداخل وحتى كيفية تشكلها في المقام الأول (الضغط الشديد والحرارة في أعماق الأرض بالنسبة للألماس، والبرودة بالنسبة للجليد)، من الصعب التفكير في مادتين لديهما مثل هذه الاختلافات القوية مع الحفاظ على تشابه سطحي.

لذلك، قد يفاجئك معرفة أن الماس – وهو أصلب المعادن المعروفة بشكل طبيعي على الأرض – قادر على الذوبان.

ولكن حتى في هذا، فإن الألماس يقوم بعمل غريب حقًا، وفقًا لفريق من الفيزيائيين بقيادة ماريوس ميلوت في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) في الولايات المتحدة.

في الأساس، يبقى في تركيبته البلورية الماسية المألوفة حتى النقطة التي يذوب فيها، عندما تتعثر ذرات الكربون فيه في حالة من الفوضى.

“نعتقد أن السبب في ذلك هو أن العينة ليس لديها الوقت للتغيير عندما تتعرض لصدمة واحدة فقط.” يقول ميلوت. “إنها تظل” محاصرة “في هيكل الماس.”

ليس من السهل تمامًا صهر الماس، ولكن تم إجراء العديد من التجارب على مر السنين. في عام 2007، أفاد فريق من العلماء إذابة الماس باستخدام الليزر لتفجيره بموجة صدمية بقوة 750 جيجاباسكال من الضغط، أي أكثر من ضعف الضغط المحيط في اللب الداخلي للأرض، و7.4 مليون مرة الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر.

تجارب المتابعة مفصلة في ورقة عام 2009 بقيادة الفيزيائي جون إيجرت من LLNL، قام بقياس درجة حرارة انصهار الماس بشكل مباشر.

ومع تحسن الحسابات النظرية، ظهرت مشكلة: اختلفت درجة حرارة الانصهار التجريبية عن توقعات ميكانيكا الكم بنحو 20%.

“بغض النظر عما فعله المنظرون – حتى مع تقنيات المحاكاة الحاسوبية الأكثر تقدمًا – لم يتمكنوا من إعادة إنتاج التجارب”. يقول ميلوت.

وفي الوقت نفسه، بقي سؤال آخر دون إجابة. تنبأت النظرية أنه عند مستوى تيراباسكال تقريبًا، يجب أن تتحول الشبكة الذرية المنظمة بإحكام للألماس مؤقتًا إلى شبكة ذرية. شكل من الكربون يسمى BC8 قبل الذوبان الكامل.

وقد تم تفسير التجارب السابقة كدليل على هذا التحول فوق حوالي 900 جيجا باسكال. ومع ذلك، تشير عمليات المحاكاة الأحدث إلى أن تشكيل BC8 قد يكون من الصعب جدًا إنجازه أثناء الضغط السريع.

على الرغم من أن ورقة 2009 أظهرت ذوبان الماس عند ضغوط تصل إلى 1.1 تيراباسكال، إلا أن التجربة افتقرت إلى الحساسية اللازمة لتحديد ما إذا كانت مرحلة BC8 المتوقعة ستظهر على طول الطريق.

ولكن في السنوات التي تلت تلك التجارب، تحسنت تكنولوجيا مراقبة المادة في ظل هذه الظروف القاسية العابرة بشكل كبير. لذلك اتخذ ميلو وفريقه خطوة أخرى في هذا الأمر.

باستخدام منشأة أوميغا لليزر في جامعة روتشستر، استخدم الباحثون نبضات ليزر قوية لدفع موجات الصدمة عبر عينات الماس الصغيرة، مما أدى إلى خلق ضغط يتراوح بين 600 جيجاباسكال و 1.8 تيراباسكال.

وفي الوقت نفسه، قام الفريق بقياس مدى سرعة تحرك الصدمة، ومدى سخونة الماس وانعكاسه، واستخدم الأشعة السينية لمراقبة كيفية تغير البنية البلورية.

“لقد تمكنا من أخذ عينات صغيرة من الماس وضغطها بالصدمة إلى درجات حرارة أعلى من سطح الشمس وإلى ضغط أعلى من مركز نبتون و أورانوس – ولا يزال يقيس التركيب الذري ودرجة الحرارة والكثافة والانعكاس البصري” يقول ميلوت.

القياسات الجديدة حلت مشكلة درجة الحرارة.

لقد وضعوا درجة حرارة انصهار الماس عند حوالي 7300 كلفن و1 تيراباسكال، وهي أقل بكثير من القياسات التجريبية القديمة، وتتفق جيدًا مع الحسابات النظرية التي رفضت بعناد مطابقة النتيجة القديمة.

“على الرغم من أنه كان من المحبط اكتشاف أن قياساتنا الأصلية لدرجة الحرارة كانت متفاوتة بأكثر من 1000 درجة، إلا أنه من المثير رؤية مثل هذا التحسن الكبير في جودة البيانات من خلال تشخيصاتنا الجديدة.” يقول إيجرت.

وكشفت الأشعة السينية أيضًا عما حدث للبنية البلورية للماس أثناء ذوبانه، وهنا تصبح الأمور ممتعة حقًا.

ومع زيادة الباحثين للضغط، أصبحت إشارة حيود الأشعة السينية للماس أضعف بشكل تدريجي، مما يشير إلى أن كمية أقل وأقل من الماس البلوري بقيت أثناء ذوبانها، حتى اختفت تمامًا.

ولكن طالما أن الفريق لا يزال قادرًا على اكتشاف البنية الذرية، فقد ظل في الشبكة البلورية المكعبة المألوفة. ولم يجد الباحثون أي علامة على وجود مرحلة BC8 كبيرة، حيث تعايش الماس الصلب والكربون السائل ببساطة حتى اكتمال العملية.

ويقترحون أن هذا يرجع على الأرجح إلى الآليات مقترح بواسطة عمليات المحاكاة السابقة. على الرغم من أن الكربون قد يفضل مرحلة BC8 عند الضغوط المعنية، إلا أن تحقيق ذلك يتطلب كسر وإعادة ترتيب روابط الكربون القوية للغاية للماس – وهي عملية تتطلب طاقة كبيرة.

في ظل ظروف التجربة العابرة، يبدو أن الماس يذوب قبل أن يحدث التحول.

ومن الغريب أن هذا هو المكان الذي يبدأ فيه الماس بالتصرف مثل الجليد قليلاً بعد كل شيء.

وفي ظل هذه الضغوط الشديدة، يكون الماس الصلب أقل كثافة من الكربون السائل الذي ينصهر فيه، تمامًا مثل الجليد العادي أقل كثافة من الماء السائل.

وهذا يعني أن الماس الصلب يمكن أن يطفو على بركة من الكربون المنصهر. كما أنه ينتج تأثيرًا آخر غير بديهي: على جزء من نطاق الذوبان، تؤدي زيادة الضغط في الواقع إلى خفض درجة الحرارة التي ينصهر فيها الماس.

كل هذا رائع حقًا وغريب حقًا، ولكن له أيضًا تطبيقات عملية.

يمكن لمثل هذه التجارب أن تخبرنا عن الأجزاء الداخلية للكواكب الجليدية العملاقة مثل أورانوس ونبتون، حيث قد يتعرض الكربون لظروف ضغط ودرجة حرارة مماثلة لتلك التي تم إعادة إنشائها في التجربة.

بالقرب من المنزل، على الرغم من ذلك، يتم استخدام الماس في الأهداف تجارب الاندماج بالقصور الذاتيحيث يتم ضغط كبسولات الوقود الصغيرة تحت ضغوط هائلة مماثلة. وبالتالي فإن المعلومات الأكثر دقة حول كيفية سلوك الكربون أثناء انهيار هذه الأهداف يمكن أن تحسن نماذج الكمبيوتر المستخدمة لتصميم تجارب الاندماج.

متعلق ب: وأخيرًا، ولَّد التفاعل الاندماجي طاقة أكبر من تلك التي امتصها الوقود

في الواقع، في عمليات المحاكاة التي تتضمن نموذج الكربون المحدث، وجد الباحثون أن مكاسب طاقة الاندماج المتوقعة يمكن أن تزيد بما يصل إلى ثلاثة أضعاف.

“يشير عملنا إلى أنه يمكننا استخدام صدمات أولية أبطأ قليلاً وما زال بإمكاننا تحقيق ذوبان الماس بالكامل في انفجارات NIF الداخلية لدينا” يقول ميلوت.

“هذا أمر مثير لأن مثل هذه الصدمة الأبطأ من شأنها أن تجعل الوقود الاندماجي أكثر قابلية للانضغاط. وهذا بدوره يزيد من الحد الأقصى لإنتاج الطاقة الذي يمكن أن نحصل عليه بنفس طاقة الليزر.”

وقد تم نشر البحث في فيزياء الطبيعة.