تولید کربن مایع برای نخستین بار در آزمایشگاه

یک تیم بین‌المللی از دانشمندان به رهبری دانشگاه «روستوک» و مرکز «هلمهولتز» در «درسدن-روسندورف» (HZDR)، به بررسی ماده تحت فشار شدید پرداختند. آنها در سال ۲۰۲۳ از لیزر قدرتمند «DIPOLE ۱۰۰-X» در مرکز لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس اروپا (European XFEL) استفاده کردند و به نتایج قابل توجهی دست یافتند. آزمایش پیشگامانه آنها با موفقیت رفتار کربن مایع را ثبت کرد، این کار بزرگ آنها طبق گزارش مجله «نیچر» (Nature) پیش از این هرگز انجام نشده بود. 

«کربن مایع»؛ کلیدی برای درک درون سیارات و آینده انرژی

«کربن مایع» به صورت طبیعی درون سیارات وجود دارد و می‌تواند نقش مهمی در فناوری‌های انرژی در آینده مانند «گداخت هسته‌ای» (nuclear fusion) ایفا کند؛ اما تا به امروز اطلاعات بسیار اندکی درباره این حالت گریزان ماده وجود داشت. علت این موضوع این مسئله است که کربن تحت شرایط عادی ذوب نمی‌شود بلکه به جای آن مستقیما از جامد به گاز تبدیل می‌شود.

ترکیبی از فشار بالا و دمای بی‌سابقه

برای تبدیل کربن به حالت مایع، به فشار بسیار زیاد و دمایی حدود ۴۵۰۰ درجه سانتی گراد نیاز است؛ یعنی بالاترین نقطه ذوب شناخته شده برای هر ماده‌ای. مدت‌ها است که مهار چنین شرایطی در محیط آزمایشگاهی غیرممکن بوده است؛ زیرا هیچ ظرف فیزیکی توانایی تحمل آن را ندارد.

جهش علمی با فشرده‌سازی لیزری

فشرده‌سازی با استفاده از لیزر، این پیشرفت مهم را رقم زد. با وارد کردن یک پالس کوتاه و شدید انرژی، لیزر DIPOLE ۱۰۰-X توانست کربن جامد را تنها برای کسری از ثانیه به مایع تبدیل کند. چالش اصلی، ثبت داده‌ها در همین لحظه کوتاه بود. با استفاده از امکانات منحصر‌به‌فرد مرکز XFEL اروپا یعنی قدرتمندترین لیزر اشعه ایکس جهان در اشنیفلد در نزدیکی هامبورگ، دانشمندان موفق شدند این حالت گذرا را به صورت زنده اندازه‌گیری کنند.

فناوری اندازه‌گیری بی‌همتا

ترکیب منحصر‌به‌فرد امکانات و زیرساخت‌های مرکز اروپایی پرتوی آزاد اشعه ایکس با لیزر پیشرفته DIPOLE ۱۰۰-X، نقشی حیاتی در موفقیت این آزمایش ایفا کرد. این لیزر (DIPOLE ۱۰۰-X) از سوی شورای تاسیسات علم و فناوری بریتانیا (STFC) توسعه داده شد و از طریق کنسرسیوم کاربران HIBEF در دسترس دانشمندان سراسر جهان قرار گرفت.

اکنون، گروهی از پیشروترین مؤسسات تحقیقاتی بین‌المللی در ایستگاه آزمایشی «HED-HIBEF» (چگالی انرژی بالا) واقع در مرکز اروپایی پرتوی آزاد اشعه ایکس (European XFEL)، برای نخستین بار توانسته‌اند فشرده‌سازی قدرتمند با لیزر را با روشی برای عکس‌برداری بسیار سریع از ساختار اتمی _ با استفاده از اشعه ایکس و آشکارساز‌های گسترده و بسیار دقیق _ ترکیب کنند.

 تصویربرداری در یک میلیاردم ثانیه

در این آزمایش، پالس‌های پرانرژی لیزر DIPOLE۱۰۰-X، امواج فشاری را در نمونه جامد کربن ایجاد می‌کنند و ماده را برای چند نانوثانیه (یک میلیاردم ثانیه) به حالت مایع درمی‌آورند. در طول این مدت، نمونه در معرض تابش پالس کوتاه اشعه ایکس مرکز «European XFEL» قرار می‌گیرد. اتم‌های کربن، نور اشعه ایکس را پراکنده می‌کنند و «الگوی پراش» (diffraction) امکان بررسی آرایش اتمی در کربن مایع را فراهم می‌سازد.

کل آزمایش تنها چند ثانیه طول می‌کشد، اما بار‌ها تکرار می‌شود: هر بار با تاخیر جزئی در پالس ایکس یا در شرایط دما و فشار متفاوت. این عکس‌های لحظه‌ای در کنار هم یک فیلم را تشکیل می‌دهند. دانشمندان با این روش توانستند گذار از فاز جامد به مایع را گام‌به‌گام دنبال کنند.

ساختاری شبیه آب و تعیین دقیق نقطه ذوب

اندازه‌گیری‌ها نشان داد که در کربن مایع، هر اتم کربن چهار همسایه نزدیک دارد؛ بنابراین ساختار اتمی آن به الماس شباهت دارد. پروفسور «دومینیک کراوس»، سرپرست کار گروه کربن این همکاری تحقیقاتی می‌گوید: «این نخستین باری است که توانسته‌ایم ساختار کربن مایع را به صورت تجربی مشاهده کنیم. آزمایش ما پیش‌بینی‌های انجام شده از سوی پیشرفته‌ترین شبیه‌سازی‌های کربن مایع را تایید می‌کند. ما با نوعی مایع پیچیده مواجهیم که ویژگی‌های ساختاری خاصی مشابه آب دارد». 

دانشمندان همچنین موفق شدند نقطه ذوب کربن را با دقت بالا تعیین کنند. پیش از این، پیش‌بینی‌های نظری درباره ساختار و نقطه ذوب به طور قابل توجهی متفاوت بوده است. اما دانش دقیق در این زمینه برای مدل‌سازی سیارات، شبیه‌سازی ساختار درونی سیارات و برخی مفاهیم در تولید انرژی از طریق هم‌جوشی هسته‌ای ضروری است.

گامی بزرگ برای دانش مواد در فشار بالا

این نخستین آزمایش «لیزر DIPOLE» در مرکز لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس اروپا همچنین آغازی برای عصری نوین در اندازه‌گیری ماده تحت فشار‌های شدید است. دکتر «اولف زاستراو»، سرپرست گروه چگالی انرژی بالا در مرکز تحقیقاتی هلملتز درسدن-روزندورف می‌گوید: «اکنون ما جعبه ابزاری در اختیار داریم که به ما امکان می‌دهد ماده را در شرایطی بسیار کم نظیر با جزئیات خارق‌العاده بررسی کنیم». پتانسیل این آزمایش هنوز به پایان نرسیده است. در آینده، نتایجی که اکنون نیاز به چند ساعت آزمایش دارند، ممکن است تنها در چند ثانیه در دسترس باشند یعنی هر زمان که سیستم کنترل خودکار پیچیده و پردازش داده‌ها به اندازه کافی سریع شوند.

این گزارش بااستفاده از مطلب نوشته شده در سایت «سای‌تک دیلی» (SciTechDaily) تهیه شده است.