Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
Este estudio reporta la primera identificación cristalográfica directa de la fase de carbono BC8, predicha durante mucho tiempo, como un monocristal formado a partir de carbono fundido bajo presiones de teraescales, resolviendo décadas de incertidumbre con respecto a las estructuras del carbono más allá del diamante.
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En lo profundo de los núcleos de planetas como Urano y Neptuno, y quizás en el corazón de mundos distantes y exóticos, el carbono existe bajo condiciones que desafían nuestra experiencia cotidiana. Las presiones allí son tan inmensas que se miden en terapascales, una unidad tan grande que es difícil de visualizar, que representa fuerzas millones de veces mayores que el peso de la atmósfera que presiona sobre nosotros al nivel del mar. Bajo un peso tan aplastante, las formas familiares de carbono que conocemos, como el grafito blando de un lápiz o el diamante duro de un anillo, se espera que cambien. Durante décadas, los científicos han utilizado potentes computadoras para predecir que, a estas profundidades extremas, el carbono debería reorganizarse en una nueva estructura aún más densa llamada BC8. Se piensa que esta forma teórica está más estrechamente empaquetada que el diamante, pero a pesar de cuarenta años de búsqueda, nadie la había visto directamente. La pregunta seguía siendo: ¿existe realmente esta fase oculta de la materia, o es solo un fantasma matemático?
Un equipo de investigadores ha respondido ahora a esa pregunta creando la primera evidencia cristalográfica directa del carbono BC8. Para encontrarlo, no esperaron a que la naturaleza proporcionara las condiciones; en su lugar, las recrearon en un laboratorio utilizando un láser de alta potencia. Al disparar un pulso de luz breve e intenso a un solo cristal de diamante, generaron una onda de choque que viajó a través del material, comprimiéndolo a presiones de entre 1.1 y 1.2 terapascales. Este proceso fue tan rápido que ocurrió en una mil millonésima de segundo, pero fue lo suficientemente rápido como para derretir el diamante en un estado líquido y luego, a medida que la onda de choque se debilitaba, permitir que los átomos de carbono se enfriaran y se reformaran en un sólido. Los investigadores capturaron este momento fugaz disparando un pulso sincronizado de rayos X a la muestra, que actuó como el flash de una cámara de alta velocidad, congelando la estructura atómica en su lugar.
Las imágenes resultantes no fueron los patrones borrosos y difusos que uno podría esperar de un evento tan caótico. En su lugar, los rayos X produjeron puntos nítidos y distintos, muy parecidos a los reflejos claros que se ven cuando la luz golpea una piedra preciosa tallada. Estos puntos son la firma de un cristal, y al medir los ángulos y las distancias entre ellos, los científicos pudieron mapear la disposición exacta de los átomos de carbono. El patrón que encontraron coincidía perfectamente con la geometría predicha de la estructura BC8. Esto fue un avance significativo porque los experimentos anteriores solo habían podido suponer la estructura basándose en señales amplias y difusas, o no habían logrado ver ninguna fase nueva. En este estudio, los investigadores pudieron demostrar que el carbono, de hecho, se había transformado en un cristal único y coherente de BC8, en lugar de permanecer como diamante o convertirse en un líquido desordenado.
El experimento también reveló algo crucial sobre cómo ocurre esta transformación. Resultó que simplemente apretar el carbono con presión no es suficiente para forzarlo a la forma BC8; el material también debe ser calentado y luego enfriado de una manera específica. El diamante tuvo que derretirse primero, permitiendo que los átomos tuvieran la libertad de moverse y encontrar sus nuevas posiciones más estrechas antes de bloquearse nuevamente en su lugar. Este hallazgo explica por qué los intentos anteriores para crear el BC8 habían fallado; esos experimentos mantenían el carbono sólido todo el tiempo, atrapándolo en su forma de diamante. Al guiar el carbono a través de un estado líquido, los investigadores desbloquearon una vía que la naturaleza probablemente utiliza en los interiores profundos de los planetas.
La densidad de este carbono BC8 recién observado se midió en aproximadamente 7.19 gramos por centímetro cúbico, un valor que se ajusta a las predicciones teóricas para esta fase de alta presión. Los investigadores señalaron que la estructura cristalina mostraba ligeras distorsiones, probablemente debido al calor extremo y a la presión desigual durante el experimento de un instante, pero la identidad central del material era inequívoca. Este descubrimiento hace más que solo confirmar una teoría largamente sostenida; proporciona un punto de referencia concreto para comprender la composición de los planetas ricos en carbono y mejora nuestro conocimiento sobre cómo se comportan los materiales bajo las condiciones más extremas imaginables. También abre la puerta a estudios futuros, sugiriendo que si los científicos logran capturar y retener este material, podrían algún día ser capaces de estudiar sus propiedades únicas, como si es más duro que el diamante o cómo conduce la electricidad. Por ahora, la búsqueda de décadas para encontrar la fase BC8 del carbono ha pasado del ámbito de las simulaciones por computadora a la realidad del laboratorio.
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