Když diamanty padají z nebe – a my konečně víme proč

Musím se přiznat – když jsem poprvé četl o tomto výzkumu, nestačil jsem se divit. Vědci z Lawrence Livermore National Laboratory vzali kousíčky diamantu, stlačili je víc než ve středu Neptunu a Uranu, zahřáli je víc než na povrchu Slunce, a pak zjistili, co se vlastně děje s atomy uvnitř. Jak skvělé je tohle?

Diamant není jen na prsteny a náramky, lidi. Tento nejtvrdší známý materiál má vážně působivé využití v praxi – třeba při výrobě malých kapslí, které drží palivo v fúzních experimentech (ano, těch, co by nám jednou mohly dát prakticky neomezenou čistou energii). Vědci taky tuší, že diamanty možná vznikají a prší hluboko uvnitř planet jako Neptun a Uran – to je ale věc!

Zhruba dvacet let se ale výzkumníci nemohli shodnout. Na jedné straně byly experimenty, kde vědci stlačovali diamant a měřili jeho teplotu tání. Na straně druhé zase superpočítačové simulace, které předpovídaly, co by se mělo dít podle zákonů kvantové mechaniky. Problém byl, že se tyhle výsledky vůbec neshodovaly. Experimentální a teoretická čísla se lišila zhruba o dvacet procent – jako kdyby vám GPS ukazovala cíl 120 kilometrů daleko, když je ve skutečnosti jen 100. Frustrující, ne?

A ještě jedna věc – někdy kolem roku 2004 objevil vědec Jon Eggert něco docela nečekaného. Když se diamant taví za extrémního tlaku, ve skutečnosti se stává hustším. Vím, většina věcí se při tání rozpíná (led, který se mění ve vodu – klasický příklad ze školy). Ale uhlík je výjimečný. Tento objev znamenal, že kdybyste nějak dokázali udržet kousek diamantu v kapalném uhlíku při dostatečném tlaku, tak by... klesal. Šílené.

Byla tu ještě jedna záhada. Předchozí experimenty v Sandia National Laboratories naznačovaly, že by diamant mohl projít nějakou mezistrukturu, než se úplně roztaví. Počítačové modely tuto myšlenku podporovaly, ale nikdo nikdy nemohl skutečně vidět atomové uspořádání a potvrdit to. Bylo to jako slyšet fámy o tajné místnosti v domě, ale nikdy nenajít dveře.

Tak jak vlastně zjistíte, co se děje s atomy za takhle šílených podmínek? Lasery, samozřejmě. (Jen napůl žertuju.)

Tým jel do Omega Laser Facility na Univerzitě v Rochesteru, kde použili intenzivní laserovou energii k odpaření vnější vrstvy svých malých vzorků diamantu. To odpaření vytvořilo silnou rázovou vlnu, která proletěla diamantem za méně než miliardtinu sekundy. Představte si, že stlačíte něco tak rychle, že je to celé pryč dřív, než váš mozek vůbec zaregistruje, že se něco stalo.

Ta opravdu obtížná část? Potřebovali změřit rentgenovou difrakci během tohoto okamžitého děje, aby viděli, jak jsou atomy uspořádané. Problém: atomy uhlíku jsou malé a lehké, takže neodrážejí rentgenové paprsky příliš dobře. Bylo to jako fotit ve velmi slabém světle.

"Je to extrémně obtížné, protože uhlík je malý a lehký atom," vysvětlil výzkumník Marius Millot. "Odráží velmi málo rentgenových paprsků, takže signál, který jsme potřebovali změřit, byl dost slabý."

Nové diagnostické vybavení, které tým vyvinul, ale fungovalo. A když se podívali na výsledky? Všechno do sebe zapadlo. Nová teplota tání se téměř dokonale shodovala s kvantově-mechanickými simulacemi. Dvacet let marného přemýšlení, vyřešeno.

Ještě zajímavější je, co nenašli. Ta údajná mezikrystalická fáze? Pravděpodobně vůbec neexistuje. Diamant zůstává diamantem až do okamžiku, než se roztaví. Žádná záhadná mezifáze, žádné tajné dveře – jen přímá přeměna z pevného skupenství na kapalné.

Jon Eggert, který celé toto zkoumání začal před dvaceti lety, to řekl krásně: "I když bylo frustrující zjistit, že naše původní měření teploty byla vedle o víc než tisíc stupňů, je vzrušující vidět tak dramatické zlepšení kvality dat s naší novou diagnostikou."

Miluju tu upřímnost. Věda není o tom být hned napoprvé správně – je to o tom mít lepší nástroje a lepší nápady v čase. Někdy nás 'špatné' výsledky učí víc než ty 'správné', protože nás tlačí k vytváření lepších experimentů.

Tak proč byste se o to měli starat? Za prvé, tyto výsledky by mohly ztrojnásobit energetický výstup v experimentech s inerciálním uzavřením fúze. To je velká věc, když mluvíme o budoucnosti čisté energie. A na straně planetární vědy – pochopení toho, jak se diamant chová při extrémních tlacích, nám pomáhá stavět lepší modely toho, co se děje uvnitř ledových obrů. Možná, jen možná, někde v hlubinách Neptunu opravdu padá diamantový déšť – a teď už víme přesně, co to znamená.

Někdy je ta nejzáhadnější fyzika schovaná přímo před našima očima, uzamčená uvnitř nejtvrdšího materiálu, jaký známe.