Timantti, joka painuu alas – tieteen 20 vuoden arvoitus ratkaistiin

Okei, myönnän suoraan: kun luin tästä tutkimuksesta ensimmäistä kertaa, leukani loksahti lattiaan. Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion tutkijat ottivat pikkuruisia timanttipaloja, puristivat niitä kovempaa kuin Neptunuksen ja Uranuksen keskipisteessä, kuumensivat niitä kuumemmaksi kuin Auringon pinta – ja sitten selittivät, mitä atomeille oikeasti tapahtui. Kuinka siistiä onkaan?

Timantti ei ole vain sormuksia ja rannekoruja varten. Tämä kovin tunnettu materiaali on oikeasti hyödyllinen: sillä valmistetaan esimerkiksi niitä pieniä kapseleita, joissa pidetään polttoainetta fuusiokokeissa. Fuusio on se energia, josta voimme joskus saada käytännössä rajattomasti puhdasta voimaa.

Mutta tiedemiehet epäilevät myös, että timantteja saattaa muodostua ja sataa alas syvällä planeettojen sisällä – vaikkapa juuri Neptunuksessa ja Uranuksessa.

Kaksikymmentä vuotta päänsärkyä

Noin kahden vuosikymmenen ajan tutkijat ovat hieroneet silmiään ristiriitaisten tulosten edessä. Toisaalta oli kokeita, joissa timanttia puristettiin ja mitattiin sen sulamispistettä. Toisaalta oli tietokonesimulaatioita, jotka ennustivat kvanttimekaniikan lakien perusteella, miten asioiden pitäisi mennä.

Ongelma: tulokset eivät sopineet yhteen. Ei edes lähelle. Kokeelliset ja teoreettiset luvut poikkesivat noin 20 prosenttia. Se on kuin GPS näyttäisi perille 120 kilometriä, vaikka oikeasti ajettavaa on satasen verran. Turhauttavaa.

Sinking diamond

Vuonna 2004 Jon Eggert teki yllättävän löydön. Kun timantti sulaa valtavan paineen alla, se tiivistyy. Joo, kuulit oikein. Useimmat aineet laajenevat sulaessaan – jää vedeksi on se klassinen esimerkki koulukemiasta. Mutta hiili on erityinen. Tämä tarkoittaa, että jos timantin voisi jotenkin upottaa nestemäiseen hiileen riittävän korkeassa paineessa, se... uppoaisi. Aika hurjaa.

Oli toinenkin mysteeri. Aiemmat kokeet Sandian kansallisessa laboratoriossa viittasivat, että timantti saattaisi muuttua joksikin välimuodoksi ennen täydellistä sulamista. Tietokonemallit tukivat ajatusta, mutta kukaan ei voinut varmistaa atomijärjestystä. Se oli kuin kuulla huhuja salaisesta huoneesta talossa, mutta ei löytää ovea.

Lasereilla totuuden perään

Miten siis selvittää, mitä atomeille tapahtuu näissä äärimmäisissä oloissa? Lasereilla, tietysti. (Tätä sanon vain puolittain leikilläni.)

Tutkijaryhmä matkusti Rochesterin yliopiston Omega-laserlaitokselle. Siellä he käyttivät voimakkaita lasereita höyrystääkseen timanttinäytteidensä pintakerroksen. Höyrystminen loi voimakkaan shokkiaallon, joka eteni timantin läpi alle miljardisosassa sekuntia. Kuvittele, että puristat jotakin niin nopeasti, että kaikki on ohi ennen kuin aivosi ehtivät rekisteröidä tapahtuneen.

Varsinainen haaste oli kuitenkin toinen. Tutkijoiden piti mitata röntgendiffraktiota tämän silmänräpäyksen aikana nähdäkseen atomien järjestyksen. Ongelma: hiiliatomit ovat pieniä ja kevyitä, joten ne eivät sirota röntgensäteitä kovin tehokkaasti. Se oli kuin yrittäisi ottaa kuvaa erittäin hämärässä valaistuksessa.

"Äärimmäisen vaikeaa, koska hiili on pieni ja kevyt atomi", tutkija Marius Millot selitti. "Se siroaa hyvin vähän röntgensäteitä, joten signaali oli aika heikko."

Lopulta kaikki loksahti paikoilleen

Mutta uudistunut mittauslaitteisto toimi. Ja tulokset? Kaikki osui kohdalleen. Uusi sulamispiste vastasi lähes täydellisesti kvanttimekaniikkasimulaatioita. Kaksikymmentä vuotta pään raapimista, ratkaistu.

Vielä kiinnostavampaa on se, mitä he EIVÄT löytäneet. Se hypoteesin välimuotoinen kiteinen rakenne? Sitä ei todennäköisesti ole olemassa. Timantti pysyy timanttina aivan siihen hetkeen asti, kun se sulaa. Ei mitään salaperäistä välivaihetta, ei piilotettua ovea – vain suora muutos kiinteästä nesteeksi.

Jon Eggert, joka aloitti tutkimuksen kaksi vuosikymmentä sitten, tiivisti asian kauniisti: "Vaikka oli turhauttavaa huomata, että alkuperäiset lämpötilamittauksemme olivat pielessä yli tuhannella asteella, on jännittävää nähdä näin dramaattinen parannus datan laadussa uusilla mittausmenetelmillä."

Rakastan tuota rehellisyyttä. Tiede ei ole oikeassa olemista ensimmäisellä yrittämällä – se on parempia työkaluja ja parempia ideoita ajan myötä. Joskus "väärät" tulokset opettavat enemmän kuin "oikeat", koska ne pakottavat meidät rakentamaan parempia kokeita.

Miksi tämä merkitsee?

Ensinnäkin nämä tulokset voivat kolminkertaistaa inertsiifuusiokokeiden energiatuoton. Se on iso juttu, kun puhutaan puhtaan energian tulevaisuudesta. Planeettatutkimuksen puolella timantin käyttäytyminen äärimmäisessä paineessa auttaa meitä rakentamaan parempia malleile siitä, mitä jääjättiläisplaneettojen sisällä tapahtuu. Ehkä, vain ehkä, jossakin Neptunuksen syvyyksissä timanttisade todella sataa – ja nyt ymmärrämme tarkalleen, mitä se tarkoittaa.

Joskus eksoottisin fysiikka piileskelee aivan silmiemme edessä, lukittuna kovimman tuntemamme materiaalin sisälle.