Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
Diese Studie berichtet über die erste direkte kristallographische Identifizierung der lang vorhergesagten BC8-Kohlenstoffphase als Einkristall, der aus geschmolzenem Kohlenstoff unter Terapascal-Drücken entstanden ist, wodurch jahrzehntelange Unsicherheiten bezüglich der Kohlenstoffstrukturen jenseits von Diamant aufgelöst werden.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht vom Autor verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Tief im Inneren von Planeten wie Uranus und Neptun, und vielleicht auch im Herzen ferner, exotischer Welten, existiert Kohlenstoff unter Bedingungen, die unsere alltägliche Erfahrung sprengen. Die dort herrschenden Drücke sind so immens, dass sie in Terapascal gemessen werden – eine Einheit, die so groß ist, dass sie schwer zu visualisieren ist und Kräfte darstellt, die millionenfach größer sind als das Gewicht der Atmosphäre, die auf uns auf Meereshöhe drückt. Unter einem solch erdrückenden Gewicht wird erwartet, dass sich die vertrauten Formen des Kohlenstoffs, die wir kennen, wie der weiche Graphit in einem Bleistift oder der harte Diamant in einem Ring, verändern. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler leistungsstarke Computer genutzt, um vorherzusagen, dass sich Kohlenstoff in diesen extremen Tiefen in eine neue, noch dichtere Struktur namens BC8 umordnen sollte. Diese theoretische Form gilt als enger gepackt als Diamant, doch trotz vierzigjähriger Suche hatte sie noch nie jemand direkt gesehen. Die Frage blieb: Existiert diese verborgene Materiephase tatsächlich oder ist sie nur ein mathematisches Gespenst?
Einem Forscherteam ist es nun gelungen, diese Frage zu beantworten, indem es den ersten direkten kristallographischen Beweis für BC8-Kohlenstoff schuf. Um ihn zu finden, wartete man nicht darauf, dass die Natur die Bedingungen bereitstellte; stattdessen reproduzierte man sie im Labor mithilfe eines Hochleistungslasers. Indem man einen kurzen, intensiven Lichtimpuls auf einen einzelnen Diamantkristall feuerte, erzeugte man eine Schockwelle, die durch das Material wanderte und es auf Drücke zwischen 1,1 und 1,2 Terapascal komprimierte. Dieser Prozess geschah so schnell, dass er in einer Milliardstel Sekunde ablief, aber er war schnell genug, um den Diamanten in einen flüssigen Zustand zu schmelzen und dann, als die Schockwelle schwächer wurde, den Kohlenstoff den Atomen erlauben zu lassen, abzukühlen und sich wieder zu einem Feststoff zu formen. Die Forscher fingen diesen flüchtigen Moment ein, indem sie einen synchronisierten Röntgenpuls auf die Probe richteten, der wie ein Hochgeschwindigkeits-Blitzlicht wirkte und die atomare Struktur an Ort und Stelle „einfuhr“.
Die resultierenden Bilder waren nicht die verschwommenen, verschmierten Muster, die man bei einem solch chaotischen Ereignis erwarten könnte. Stattdessen erzeugten die Röntgenstrahlen scharfe, deutliche Punkte, ganz ähnlich den klaren Reflexionen, die entstehen, wenn Licht auf einen geschliffenen Edelstein trifft. Diese Punkte sind die Signatur eines Kristalls, und durch das Messen der Winkel und Abstände zwischen ihnen konnten die Wissenschaftler die exakte Anordnung der Kohlenstoffatome kartieren. Das gefundene Muster entsprach perfekt der vorhergesagten Geometrie der BC8-Struktur. Dies war ein bedeutender Durchbruch, da frühere Experimente lediglich die Struktur basierend auf breiten, unscharfen Signalen vermutet hatten oder gar keine neue Phase beobachten konnten. In dieser Studie konnten die Forscher beweisen, dass sich der Kohlenstoff tatsächlich in einen einzelnen, kohärenten BC8-Kristall verwandelt hatte, anstatt in Diamant zu bleiben oder in eine ungeordnete Flüssigkeit überzuge-hen.
Das Experiment enthüllte auch etwas Entscheidendes darüber, wie diese Transformation stattfindet. Es stellte sich heraus, dass es nicht ausreicht, Kohlenstoff einfach nur mit Druck zu pressen, um ihn in die BC8-Form zu zwingen; das Material muss auch auf eine spezifische Weise erhitzt und anschließend abgekühlt werden. Der Diamant musste zuerst schmelzen, um den Atomen die Freiheit zu geben, sich zu bewegen und ihre neuen, engeren Positionen zu finden, bevor sie wieder in die feste Form einrasteten. Dieser Befund erklärt, warum frühere Versuche, BC8 zu erzeugen, gescheitert waren; jene Experimente hielten den Kohlenstoff die gesamte Zeit über in einem festen Zustand, wodurch er in seiner Diamantform gefangen blieb. Durch die Führung des Kohlenstoffs durch einen flüssigen Zustand eröffneten die Forscher einen Pfad, den die Natur wahrscheinlich in den tiefen Inneren von Planeten nutzt.
Die Dichte dieses neu beobachteten BC8-Kohlenstoffs wurde mit etwa 7,19 Gramm pro Kubikzentimeter gemessen, ein Wert, der den theoretischen Vorhersagen für diese Hochdruckphase entspricht. Die Forscher merkten an, dass die Kristallstruktur leichte Verzerrungen aufwies, was wahrscheinlich auf die extreme Hitze und den ungleichmäßigen Druck während des Sekundenbruchteils des Experiments zurückzuführen war, aber die Kernidentität des Materials war unverkennbar. Diese Entdeckung bestätigt mehr als nur eine lang gehegte Theorie; sie liefert einen konkreten Maßstab für das Verständnis der Zusammensetzung kohlenstoffreicher Planeten und verbessert unser Wissen darüber, wie sich Materialien unter den extremsten vorstellbaren Bedingungen verhalten. Sie öffnet zudem die Tür für zukünftige Studien und legt nahe, dass Wissenschaftler, falls sie lernen, dieses Material einzufangen und zu halten, eines Tages in der Lage sein könnten, seine einzigartigen Eigenschaften zu untersuchen, wie etwa ob es härter als Diamant ist oder wie es Elektrizität leitet. Für den Moment ist die jahrzehntelange Suche nach der BC8-Phase des Kohlenstoffs aus dem Bereich der Computersimulationen in die Realität des Labors übergegangen.
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