Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
Questo studio riporta la prima identificazione cristallografica diretta della fase di carbonio BC8, da tempo prevista, come un monocristallo formato da carbonio fuso sotto pressioni del terapascal, risolvendo decenni di incertezza riguardante le strutture del carbonio oltre il diamante.
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Nel profondo dei nuclei di pianeti come Urano e Nettuno, e forse nel cuore di mondi distanti ed esotici, il carbonio esiste in condizioni che sfidano la nostra esperienza quotidiana. Le pressioni lì sono così immense da essere misurate in terapascal — un'unità così grande che è difficile da visualizzare, rappresentando forze milioni di volte superiori al peso dell'atmosfera che preme su di noi a livello del mare. Sotto un peso così schiacciante, le forme familiari di carbonio che conosciamo, come la morbida grafite di una matita o il duro diamante di un anello, si prevede che cambino. Per decenni, gli scienziati hanno usato potenti computer per prevedere che, a queste profondità estreme, il carbonio dovrebbe riorganizzarsi in una nuova struttura, ancora più densa, chiamata BC8. Si pensa che questa forma teorica sia più compattata rispetto al diamante, eppure, nonostante quarant'anni di ricerche, nessuno l'aveva mai vista direttamente. La domanda rimaneva: questa fase nascosta della materia esiste davvero, o è solo un fantasma matematico?
Un team di ricercatori ha ora risposto a quella domanda creando la prima prova cristallografica diretta del carbonio BC8. Per trovarlo, non hanno aspettato che la natura fornisse le condizioni; invece, le hanno ricreate in laboratorio utilizzando un laser ad alta potenza. Spara un breve e intenso impulso di luce su un singolo cristallo di diamante, hanno generato un'onda d'urto che ha attraversato il materiale, comprimendolo a pressioni comprese tra 1,1 e 1,2 terapascal. Questo processo è stato così rapido da avvenire in un miliardesimo di secondo, ma è stato abbastanza veloce da fondere il diamante in uno stato liquido e poi, man mano che l'onda d'urto si indeboliva, permettere al carbonio di raffreddarsi e riformarsi in un solido. I ricercatori hanno catturato questo momento fugace scagliando un impulso di raggi X sincronizzato sul campione, che ha agito come il flash di una fotocamera ad alta velocità, congelando la struttura atomica sul posto.
Le immagini risultanti non erano i modelli sfocati e sfuocati che ci si potrebbe aspettare da un evento così caotico. Invece, i raggi X hanno prodotto punti nitidi e distinti, molto simili ai riflessi chiari che si vedono quando la luce colpisce una pietra preziosa tagliata. Questi punti sono la firma di un cristallo e, misurando gli angoli e le distanze tra di essi, gli scienziati hanno potuto mappare l'esatta disposizione degli atomi di carbonio. Il modello che hanno trovato corrispondeva perfettamente alla geometria prevista della struttura BC8. Questa è stata una scoperta significativa perché i precedenti esperimenti erano stati in grado solo di ipotizzare la struttura basandosi su segnali ampi e sfocati, o non erano riusciti a vedere alcuna nuova fase. In questo studio, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che il carbonio si era effettivamente trasformato in un singolo cristallo coerente di BC8, piuttosto che rimanere diamante o trasformarsi in un liquido disordinato.
L'esperimento ha rivelato anche qualcosa di cruciale su come avviene questa trasformazione. È risultato che non basta semplicemente schiacciare il carbonio con la pressione per costringerlo nella forma BC8; il materiale deve anche essere riscaldato e poi raffreddato in un modo specifico. Il diamante doveva prima fondere, permettendo agli atomi la libertà di muoverssi e trovare le loro nuove posizioni più strette prima di bloccarsi nuovamente in posizione. Questa scoperta spiega perché i precedenti tentativi di creare il BC8 fossero falliti; quegli esperimenti mantenevano spesso il carbonio allo stato solido per tutto il tempo, intrappolandolo nella sua forma di diamante. Guidando il carbonio attraverso uno stato liquido, i ricercatori hanno sbloccato un percorso che la natura probabilmente utilizza nei profondi interni dei pianeti.
La densità di questo carbonio BC8 appena osservato è stata misurata in circa 7,19 grammi per centimetto cubo, un valore che si adatta alle previsioni teoriche per questa fase ad alta pressione. I ricercatori hanno notato che la struttura cristallina mostrava lievi distorsioni, probabilmente dovute all'estremo calore e alla pressione irregolare durante l'esperimento di un istante, ma l'identità fondamentale del materiale era inconfondibile. Questa scoperta fa molto più che confermare una teoria di lunga data; fornisce un parametro concreto per comprendere la composizione dei pianeti ricchi di carbonio e migliora la nostra conoscenza di come i materiali si comportano nelle condizioni più estreme immaginabili. Apre anche la porta a studi futuri, suggerendo che se gli scienziati riuscissero a catturare e trattenere questo materiale, potrebbero un giorno essere in grado di studiarne le proprietà uniche, come se sia più duro del diamante o come conduca l'elettricità. Per ora, la ricerca decennale per trovare la fase BC8 del carbonio è passata dal regno delle simulazioni al computer alla realtà del laboratorio.
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