Se mide por primera vez la estructura del carbono líquido
Un equipo de investigadores completa un experimento pionero en el XFEL europeo
Con el objetivo declarado de medir la materia sometida a presiones extremas, una colaboración internacional de investigación encabezada por la Universidad de Rostock y el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) utilizó por primera vez en 2023 el láser de alto rendimiento DIPOLE 100-X en el XFEL europeo. Con resultados espectaculares: En este experimento inicial consiguieron estudiar el carbono líquido, un logro sin precedentes, según informan los investigadores en la revista Nature.
El carbono líquido puede encontrarse, por ejemplo, en el interior de los planetas y desempeña un papel importante en tecnologías futuras como la fusión nuclear. Hasta la fecha, sin embargo, sólo se sabía muy poco del carbono en su forma líquida porque en este estado era prácticamente imposible estudiarlo en el laboratorio: A presión normal, el carbono no se funde, sino que pasa inmediatamente al estado gaseoso. Sólo bajo una presión extrema y a temperaturas de unos 4.500 grados Celsius -el punto de fusión más alto de cualquier material- el carbono se vuelve líquido. Ningún recipiente lo resistiría.
En cambio, la compresión láser puede convertir el carbono sólido en líquido durante fracciones de segundo. Y el reto consistía en utilizar esas fracciones de segundo para realizar mediciones. De una forma inimaginable hasta ahora, esto se ha hecho realidad en el XFEL europeo, el mayor láser de rayos X del mundo con sus pulsos ultracortos, en Schenefeld, cerca de Hamburgo.
Tecnología de medición única en esta combinación
La combinación única del XFEL europeo con el láser de alto rendimiento DIPOLE100-X fue crucial para el éxito del experimento. Fue desarrollada por el Consejo Británico de Instalaciones Científicas y Tecnológicas y puesta a disposición de científicos de todo el mundo por el Consorcio de Usuarios HIBEF (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields). En la estación experimental HED-HIBEF (High Energy Density) del XFEL europeo, una comunidad de destacadas instituciones internacionales de investigación ha combinado por primera vez una potente compresión láser con el análisis ultrarrápido de rayos X y detectores de rayos X de gran superficie.
En el experimento, los pulsos de alta energía del láser DIPOLE100-X impulsan ondas de compresión a través de una muestra de carbono sólido y licúan el material durante nanosegundos, es decir, durante una milmillonésima de segundo. Durante este nanosegundo, la muestra se irradia con el flash láser ultracorto de rayos X del XFEL europeo. Los átomos de carbono dispersan la luz de rayos X de forma similar a como se difracta la luz en una rejilla. El patrón de difracción permite inferir la disposición actual de los átomos en el carbono líquido.
El experimento completo dura sólo unos segundos, pero se repite muchas veces: cada vez con un pulso de rayos X ligeramente retardado o en condiciones de presión y temperatura ligeramente diferentes. Muchas instantáneas se combinan para formar una película. De este modo, los investigadores han podido seguir paso a paso la transición de la fase sólida a la líquida.
Estructura similar al agua y determinación precisa del punto de fusión
Las mediciones revelaron que, con cuatro vecinos más próximos cada uno, la sistémica del carbono líquido es similar a la del diamante sólido. "Es la primera vez que podemos observar experimentalmente la estructura del carbono líquido. Nuestro experimento confirma las predicciones realizadas por sofisticadas simulaciones del carbono líquido. Estamos ante una forma compleja de líquido, comparable al agua, que tiene propiedades estructurales muy especiales", explica el jefe del Grupo de Trabajo sobre Carbono de la colaboración investigadora, el profesor Dominik Kraus, de la Universidad de Rostock y la HZDR.
Los investigadores también consiguieron acotar con precisión el punto de fusión. Hasta ahora, las predicciones teóricas sobre la estructura y el punto de fusión habían divergido significativamente. Pero un conocimiento preciso es crucial para la modelización de planetas y para determinados conceptos de generación de energía mediante fusión nuclear.
El primer experimento DIPOLE en el XFEL europeo también inaugura una nueva era en la medición de la materia a alta presión, como subraya el jefe del grupo HED, el Dr. Ulf Zastrau: "Ahora tenemos la caja de herramientas para caracterizar la materia en condiciones altamente exóticas con un detalle increíble". Y el potencial del experimento está lejos de agotarse. En el futuro, los resultados que actualmente requieren varias horas de experimento podrían estar disponibles en unos pocos segundos - tan pronto como el complejo control automático y el procesamiento de datos funcionen lo suficientemente rápido.
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Publicación original
D. Kraus, J. Rips, M. Schörner, M. G. Stevenson, J. Vorberger, D. Ranjan, J. Lütgert, B. Heuser, J. H. Eggert, H.-P. Liermann, I. I. Oleynik, S. Pandolfi, R. Redmer, A. Sollier, C. Strohm, T. J. Volz, B. Albertazzi, S. J. Ali, L. Antonelli, C. Bähtz, O. B. Ball, S. Banerjee, A. B. Belonoshko, C. A. Bolme, V. Bouffetier, ... J. T. Willman, L. Wollenweber, U. Zastrau, E. Brambrink, K. Appel, M. I. McMahon; "The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction"; Nature, 2025-5-21
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