科学家首次测量液态碳微观结构
05/28
07:36
由德国罗斯托克大学和亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）领衔的国际科研团队，在近日出版的《自然》杂志中刊发了一项重大突破：他们利用欧洲X射线自由电子激光装置（XFEL）上的高性能激光器DIPOLE100-X，首次成功测量出液态碳的微观结构。
液态碳存在于行星内部深处，同时在未来核聚变等技术中具有重要应用前景。然而，由于研究条件极其苛刻，科学家对液态碳的认识一直非常有限。在常压下，碳不会熔化，而是直接升华成气态；只有在约4500摄氏度和极端高压下，碳才会液化，但常规实验容器根本无法承受如此极端的环境。
激光压缩技术可通过高能激光，在纳秒量级时间内将固体碳瞬间液化，但其挑战在于如何在这个转瞬即逝的液态瞬间展开测量。为此，研究团队巧妙地将强大的激光压缩技术、超快X射线分析技术以及大面积X射线探测三项尖端技术相结合。
实验过程中，DIPOLE100-X激光器产生的高能脉冲驱动压缩波穿过固体碳样品，使材料在极短时间内液化。就在这稍纵即逝的液态瞬间，XFEL装置发出的超短X射线激光脉冲精准照射样品。通过分析碳原子发出的X射线的散射图案（类似光通过光栅产生的衍射现象），研究团队成功解析出液态碳的原子排列方式。
通过调节X射线脉冲的延迟时间，或改变压力和温度条件，研究团队进行了多次实验，从而获得了大量实验数据，并将无数张快照组合成一部“原子电影”。测量结果显示，液态碳的微观结构与固态钻石相似，每个碳原子周围都有4个最近邻原子。
研究团队强调，最新研究不仅首次通过实验揭开了液态碳的神秘面纱，验证了理论模拟的预测，还精确测定了碳的熔点范围。这些关键数据对于行星内部建模和核聚变技术研发都具有重要价值。最新研究也开创了极端条件下物质研究的新纪元。
