通过超亮X射线自由电子激光的脉冲，研究人员在超过百万大气压和约7000开尔文的条件下确定了液态碳的结构。该方法揭示出一种具有水状结构的复杂流体叁鑫策略，每个中心碳原子周围平均存在四个相邻原子。
研究背景
尽管碳在地球及宇宙中稳定且含量丰富，但其液态性质却鲜为人知。主要原因是碳在常压下会直接升华，液态相需在极高压力下才能形成。此外，在此条件下碳具有极高的熔点温度，因此没有任何物质能作为容器容纳液态碳以供表征。
然而，深入理解液态碳对行星内部建模（如白矮星大气层这类死亡恒星残骸）和天体物理环境模拟至关重要。同时，在多项技术应用中会瞬时形成液态碳——例如合成碳基材料（如碳纳米管、纳米金刚石和称为Q-碳的非晶碳）的过程中。在称为惯性约束聚变(ICF)的核聚变过程中也会形成液态碳，该技术有望用于能源生产。
解决方案
我们采用脉冲高能激光驱动强冲击压缩波进入固态碳样品，瞬时产生液态碳。该方法实现了超过百万大气压的压力，同时压缩波将样品加热至约7000开尔文叁鑫策略，形成持续数纳秒的液态碳。利用欧洲X射线自由电子激光装置(XFEL)的超亮X射线脉冲（每个脉冲持续25飞秒——比液态碳存在时间短约10万倍），我们获取了结构的原位快照。当将样品置于较低压力和温度时，我们发现了压缩态金刚石；在中等压力下则形成金刚石与液态碳共存态。基于这些观测，我们绘制了金刚石熔融线(图1)，并测定了其熔融时的体积变化和潜热（物质在恒温下熔解所需的能量）。
图1 | 碳在压力-温度相图中的熔融线。固液共存态（蓝色）与纯液态（红色）的实验数据在整体背景中呈现，并附有前人研究对熔融转变的预测。多种相变模型现可被排除。实验测得的平均配位数（中心原子周围最近邻原子数）为3.78 ± 0.15，该结果与复杂模型的预测高度吻合——这些模型同时符合在120吉帕斯卡（GPa）（约合120万大气压）下观测到的约6700开尔文的熔融温度。数据源自前人研究，参考文献见主论文图4b。
我们发现液态碳是一种具有四面体（三维四边）结构的复杂流体，其结构类似于水。该结构的配位数约为4，意味着每个中心碳原子平均拥有四个最近邻原子。这与配位数更高的简单液体（如配位数为12的二十面体结构）形成鲜明对比。此外，我们测得在120万大气压(120吉帕斯卡)下，碳的熔融温度约为6700开尔文。
我们的测量结果支持了复杂量子分子动力学模拟预测的液态碳结构，而与常用于描述行星内部和ICF等的简化模型不符。更重要的是，唯有复杂模型模拟结果与实验数据推断的熔融温度一致。
未来方向
我们的数据表明：简单模型无法准确复现碳的液态性质，需采用复杂原子模拟来预测涉及液态碳的过程。这将帮助科学家阐明碳在天王星、海王星等冰巨星及类似富碳系外行星内部结构和演化中的作用。此外叁鑫策略，本研究将为ICF内爆中加速聚变燃料的烧蚀材料选择提供依据，以实现清洁可靠的能源生产，并指导特定碳材料（如长期探索但仅被预测存在的超硬韧性BC8碳）的合成。
尽管我们探测了液态碳结构并确定了碳的熔融温度，但未能测定其电子特性。在实验条件下，液态碳被预测具有金属性，这与该元素绝缘的金刚石结构截然不同。事实上，金属态液态碳可能对富碳行星（具备形成条件且含大量碳）的磁场产生显著贡献。
未来将采用光谱学方法评估电子特性，例如表征极端压力温度下此类液体的导电性。此外，我们将把该验证方法拓展至其他材料，以研究极端条件下的液态结构。——Dominik Kraus任职于德国罗斯托克大学及德累斯顿亥姆霍兹中心。
专家观点
作者报道了极端温压下复杂液体（碳）的局部（原子）结构。这是通过测量液态碳的X射线衍射并系统对比模拟结果实现的。能在百万大气压的熔融态下以极低信噪比测量液体衍射图谱，本身就是重大成就。——Sandro Scandolo任职于意大利的里雅斯特阿卜杜勒·萨拉姆国际理论物理中心。
研究背后
高能激光与XFEL的结合是实现测量的关键。亥姆霍兹极端场束线于2013年作为国际用户联盟成立，旨在为欧洲XFEL装置的高能量密度科学研究提供先进基础设施。DiPOLE 100-X激光系统由英国科学技术设施委员会提供。
本研究在联合系统首次实验活动中完成，超过十年的科研团队协作使此类实验成为可能。尽管设备高度复杂，但系统从开始就表现出卓越性能。未来可期更多针对不同材料及采用多种X射线技术的研究。——D.K.
编辑点评
Kraus等人的研究因其超高难度而脱颖而出：制备液态碳需要高于3800°C的温度和高压环境。而维持这种极端状态同时测量液态碳结构更增加了研究复杂性。作者利用XFEL进行观测，彰显了大型科研装置研究极端物质条件的科学能力。——Kristina Kareh，《自然》高级编辑
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
永华配资提示：文章来自网络，不代表本站观点。
- 上一篇：易策略 雅各臣科研制药发盈喜 预期2025财年股东应占溢利同比增加超过10%
- 下一篇：没有了
沪深京指数
热点资讯
