Диаманти на ръба на възможното

Когато прочетох за това изследване, направо не повярвах на очите си. Учени от Lawrence Livermore National Laboratory взели малки парчета диамант, смачкали ги по-силно отколкото е налягането в центъра на Нептун и Уран, нагрели ги по-горещо от повърхността на Слънцето — и после разбрали какво точно се случва с атомите вътре. Невероятно, нали?

Ама диамантът не е само за пръстени и гривни. Това най-твърдото познато вещество има доста сериозни приложения. Едно от тях са малките капсули, в които се държи горивото при експериментите по термоядрен синтез — онзи вид синтез, който може един ден да ни даде почти безгранична чиста енергия.

Учените дори подозират, че диаманти може да се образуват и да валят като дъжд дълбоко в планети като Нептун и Уран. Доста странна идея, няма какво да кажа.

Двадесет години объркване

Обаче имало един проблем. Вече двайсет години изследователите си бльскат главите над противоречиви резултати.

От едната страна стояли експериментите — учените свивали диамант и измервали температурата му на топене. От другата страна били суперкомпютърните симулации — те предсказвали какво ТРЯБВА да се случва според законите на квантовата механика.

И ето го проблемът: двете не се разбираха. Абсолютно. Числата от експериментите и теоретичните изчисления се разминаваха с около 20%. Представяте ли си? Това е като навигаторът ти да ти каже, че дестинацията е на 120 километра, когато всъщност е на 100.

Около 2004 година ученият Jon Eggert открил нещо много странно. Когато диамантът се топи под огромно налягане, всъщност става по-плътен. Знам, знам — повечето неща се разширяват при топене. Водата е класическият пример от училище, нали? Но въглеродът е special.

Това означавало нещо невероятно — ако можеше да сложиш парче диамант в течен въглерод при достатъчно високо налягане, то щеше да потъне.

Имало и още една мистерия. По-ранни експерименти в Sandia National Laboratories подсказвали, че диамантът може да преминава през някаква междинна кристална структура преди напълно да се стопи. Компютърните модели подкрепяли тази идея. Обаче никой не можел да види атомната подредба, за да я потвърди. Беше като да чуеш слухове за тайна стая в къща, но никога да не намериш вратата.

Как учените разбраха какво става?

С лазери, разбира се. (Само наполовина се шегувам.)

Екипът отишъл в Omega Laser Facility към University of Rochester. Там използвали интензивна лазерна енергия, за да изпарят външния слой на миниатюрните диамантени проби. Това изпаряване създало мощна ударна вълна, която преминала през диаманта за по-малко от милиардна от секундата. Представяте ли си? Цялото нещо свършва преди мозъкът ти да е регистрирал, че се е случило.

Истинското предизвикателство било друго — трябвало да измерят разсейването на рентгенови лъчи по време на това мигновено събитие, за да видят как са подредени атомите. Проблемът: въглеродните атоми са малки и леки, така че не разсейват рентгенови лъчи особено добре. Приличало е на опит да направиш снимка при много слаба светлина.

„Много е трудно, защото въглеродът е малък и лек атом", обяснил изследователят Marius Millot. „Разсейва много малко рентгенови лъчи, така че сигналът, който трябваше да измерим, беше доста слаб."

Какво откриха

Новите диагностични уреди, разработни от екипа, най-накрая свършиха работа. И когато погледнали резултатите? Всичко си дойде на мястото.

Новата температура на топене съвпадаше почти перфектно с квантовомеханичните симулации. Двайсет години главоблъсканици — решени.

Още по-интересно е онова, което НЕ откриха. Тази подозирана междинна кристална фаза? Вероятно изобщо не съществува. Диамантът си остава диамант чак до момента на топене. Няма тайнствено междинно състояние, няма скрита врата — само директна трансформация от твърдо в течно.

Jon Eggert, който започнал цялото това разследване преди двайсет години, го каза много хубаво: „Макар да беше обезсърчаващо да открием, че първоначалните ни температурни измервания бяха сгрешени с повече от 1000 градуса, е вълнуващо да видим такова драматично подобрение в качеството на данните с новите ни диагностични уреди."

Харесва ми тази честност. Наука не означава да си прав от първия път — означава да имаш по-добри инструменти и по-добри идеи с времето. Понякога „грешните" резултати ни учат повече от „правилните", защото ни принуждават да изграждаме по-добри експерименти.

Защо има значение

Защо трябва да ви пука за всичко това? Е, за начало — тези открития могат да утроят енергийния добив при експериментите с инерционен затворен синтез. Това е голяма работа, когато говорим за бъдещето на чистата енергия.

А от гледна точка на планетологията — разбирането как се държи диамантът при екстремни налягания ни помага да строим по-добри модели на онова, което се случва във вътрешността на ледените гигантски планети. Може би, само може би, някъде в дълбините на Нептун наистина вали диамантен дъжд — и сега разбираме точно какво означава това.

Понякога най-екзотичната физика се оказва скрита на най-видно място, заключена в най-твърдия материал, който познаваме.