Діамант плавиться інакше ніж вважали та може посилити термоядерний синтез

26 серпня 2026 р. 23:54

26 серпня 2026 р. 23:54

Нові експерименти з плавлення діаманта за екстремальних тисків показали, що він поводиться подібно до льоду у воді: діамант плаває в рідкому металевому вуглеці . Робота науковців з Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса (LLNL) усунула 20‑річну невідповідність між теоретичними розрахунками та вимірюваннями і може покращити як дослідження термоядерного синтезу, так і моделі надр планет. Про це йдеться у матеріалі SciTechDaily .

Діамант — не лише коштовний камінь. Надзвичайно тверда форма вуглецю використовується в крихітних капсулах, що оточують паливо в експериментах з інерційного термоядерного синтезу, а також вважається, що в надрах крижаних гігантів на кшталт Нептуна й Урана можуть утворюватися й «дощити» діамантові кристали.

Плавлення під тиском у три рази вищим за ядро Землі

Команда LLNL вперше безпосередньо виміряла, як плавиться діамант за тисків, що досягають значень утричі вищих, ніж у центрі Землі. Ці результати опубліковані в журналі Nature Physics.

За словами науковця LLNL Маріуса Мійо (Marius Millot), дослідникам вдалося взяти мікроскопічні зразки діаманта, ударно стиснути їх до температур, вищих за температуру поверхні Сонця, і до тисків, вищих за ті, що в центрі Нептуна й Урана, та при цьому виміряти атомну структуру, температуру, густину й оптичну відбивну здатність матеріалу.

Отримані дані зняли одразу дві давні суперечності в галузі й зблизили експериментальні результати з комп’ютерними симуляціями, заснованими на квантовій механіці. Це важливо як для інерційного термоядерного синтезу, де прогнози вказують на можливе утричі більше енергетичне підсилення , так і для моделей внутрішньої будови планет за екстремальних тисків.

Давня загадка плавлення діаманта

Дослідження діаманта в екстремальних умовах у LLNL тривають десятиліттями. Приблизно 20 років тому вчений лабораторії Джон Еггерт (Jon Eggert) з колегами провів піонерські експерименти з плавлення під високим тиском і виявив, що при плавленні діамант стає густішим.

Таке поводження нетипове для більшості матеріалів, але знайоме на прикладі води: рідка вода густіша за лід, тому крига плаває на поверхні. Аналогічно, за височезних тисків діамант мав би плавати в рідкому вуглеці .

Однак ті впливові експерименти залишили серйозну загадку: виміряна температура плавлення відрізнялася від теоретичних прогнозів приблизно на 20%. Навіть найсучасніші комп’ютерні моделі не могли відтворити результати.

Ще одне питання виникло після дослідів у Національних лабораторіях Сандія, де за допомогою потужних магнітних полів установки Z дослідники ударно стискали діамант і зафіксували сигнали, які натякали, що перед плавленням він може переходити в іншу кристалічну форму. Симуляції підтримували таку можливість, але без прямого вимірювання атомної структури це залишалося гіпотезою.

Рентгенівські промені «бачать» плавлення

Щоб розв’язати обидві проблеми, команда LLNL провела лазерні експерименти динамічного стиснення в Лабораторії лазерних енергетичних досліджень (LLE) Університету Рочестера. На установці Omega лазери випаровували зовнішню поверхню крихітного зразка діаманта, створюючи потужну ударну хвилю, яка стискала матеріал усередині.

Найскладнішим було отримати точні вимірювання, адже стан надвисокого тиску тривав лише близько однієї мільярдної частки секунди. За цей мить потрібно було зібрати кілька типів даних, зокрема рентгенівську дифракцію, що показує, як упорядковані атоми.

За словами Мійо, це перший випадок, коли ударно стиснутий діамант досліджували методом рентгенівської дифракції аж до самого плавлення. Вимірювання надзвичайно складні, оскільки атоми вуглецю легкі й розсіюють дуже мало рентгенівських променів, тож сигнал був вкрай слабким.

Удосконалені діагностичні прилади, розроблені й підтримувані командою LLE, дали змогу отримати нове значення температури плавлення діаманта. Цього разу експериментальні дані майже ідеально збіглися з результатами симуляцій, остаточно розв’язавши суперечність, що тривала близько двох десятиліть.

Еггерт визнає, що було прикро дізнатися, що початкові вимірювання температури помилялися більш ніж на 1000 градусів, але водночас підкреслює, наскільки різко зросла якість даних завдяки новим діагностичним засобам. При цьому початковий висновок про саме плавлення тепер безпосередньо підтверджений рентгенівською дифракцією.

Експеримент також показав інший результат, ніж можливий фазовий перехід, про який свідчили попередні дані з установки Z. За умов одиночного удару вуглець зберігав структуру діаманта аж до плавлення, без проміжної кристалічної фази.

Мійо пояснює це тим, що за одного короткого удару зразок просто не встигає перебудуватися і залишається «захопленим» у діамантовій структурі. Це означає, що реакція матеріалу залежить не лише від тиску й температури, а й від того, як саме подається удар.

Повільніші удари можуть посилити термоядерний синтез

Збіг теорії та експерименту має прямі наслідки для інерційного термоядерного синтезу. У таких експериментах потужні лазери створюють удари, що стискають крихітну діамантову капсулу всередину. Внаслідок імплозії паливо в капсулі досягає тисків і температур, потрібних для реакцій синтезу.

Під час першого удару діамантова оболонка має розплавитися в гладку, однорідну рідину. Інакше нерівності імплозії можуть завадити ефективному перебігу реакції. Щоб гарантувати плавлення, у Національному комплексі запалювання (NIF) LLNL зазвичай починають із досить сильного початкового удару.

Нові результати вказують, що можна використовувати дещо повільніші початкові удари й усе одно досягати повного плавлення діаманта в імплозіях NIF. Такий повільніший удар зробить паливо більш стисливим, а це підвищить максимальний енергетичний вихід за тієї ж потужності лазерів. За умови контролю інших джерел втрат продуктивності моделі прогнозують, що використання повільніших ударів може утричі збільшити енергетичний виграш .

Що це означає для надр Нептуна й Урана

Оновлені вимірювання також важливі для розуміння крижаних гігантів Нептуна й Урана. Їхні глибокі надра неможливо спостерігати безпосередньо, тому планетологи покладаються на лабораторні експерименти та моделі, щоб з’ясувати, що відбувається під поверхнею.

Деякі дослідження припускають, що вуглець у надрах цих планет може кристалізуватися й випадати у вигляді «діамантового дощу». Оскільки нові експерименти досягли тисків, вищих за очікувані всередині крижаних гігантів, уточнені дані про плавлення діаманта допоможуть будувати реалістичніші моделі їхнього формування та еволюції.

Наступним кроком команда LLNL планує використати можливості NIF для дослідження діаманта за ще екстремальніших умов, які важко відтворити деінде. Науковці прагнуть з’ясувати, як поводяться діамантові капсули на пізніших стадіях імплозії та як довго кристалічна структура може залишатися стабільною під дією послідовності кількох ударних хвиль.

Наука