دانشمندان الماس را در فشار فوق العاده بالا ذوب کردند
گل سپید: پژوهشگران با فشردن الماس تا فشار ۱٫۸ تریلیون پاسکال دریافتند این ماده قبل از ذوب، ساختار بلوری خودرا حفظ می نماید و سپس ناگهان به کربن مایع تبدیل می شود.
به گزارش گل سپید به نقل از خبر آنلاین و برپایه گزارش زومیت، الماس که به عنوان سخت ترین ماده معدنی طبیعی شناخته شده روی زمین شهرت دارد، در وضعیت معمول جامدی پایدار است؛ اما در فشار و دماهای فوق العاده بالا می تواند ذوب شود. حالا، محققان با فشردن نمونه های الماس تا فشارهایی بیشتر از فشار مرکز اورانوس و نپتون، برای اولین بار رفتار ساختار اتمی آنرا هنگام رسیدن به نقطه ذوب با جزئیات بیشتری بررسی نموده اند و به نتیجه ای بر خلاف انتظار رسیده اند.
به گزارش ساینس آلرت، گروهی از فیزیک دانان به رهبری ماریوس میلوت در لابراتوار ملی لارنس لیورمور آمریکا نشان داده اند که ذوب الماس بر خلاف انتظار، فرایندی عجیب است. به قول میلوت، الماس تا لحظه ی ذوب ساختار بلوری آشنای خویش را حفظ می نماید و درست هنگام ذوب، نظم اتم های کربن آن از بین می رود. او می گوید دلیل این رفتار، احیانا آن است که نمونه هنگام تجربه ی شوک، فرصت کافی برای تغییر ساختار ندارد و در همان ساختار الماسی «گیر می افتد».
ذوب الماس کار ساده ای نیست، اما دانشمندان در طول سال ها چندین بار به این کار دست زده اند. در سال ۲۰۰۷، گروهی از محققان گزارش دادند که با استفاده از لیزر و ایجاد موج شوک، الماس را در فشار ۷۵۰ گیگاپاسکال ذوب کرده اند که بیشتر از دو برابر فشار موجود در هسته داخلی زمین و حدود ۷٫۴ میلیون برابر فشار جو در سطح دریا است.
در آزمایش های بعدی که در مقاله ای به رهبری جان اگرت، فیزیک دان لابراتوار ملی لارنس لیورمور در سال ۲۰۰۹ انتشار یافت، دمای ذوب الماس نیز به صورت مستقیم مورد سنجش قرار گرفت.
فرایند ذوب شدن الماس در آزمایش های فشار بالا، نتایج غیرمنتظره ای داشت.Nature Physics
اما با پیشرفت محاسبات نظری، مشکل جدیدی آشکار شد. دمای ذوب به دست آمده از آزمایش ها حدود ۲۰درصد با پیش بینی های کوانتوم مکانیکی اختلاف داشت. میلوت می گوید حتی پیشرفته ترین روشهای شبیه سازی کامپیوتری نیز نتوانستند نتایج آزمایش را بازتولید کنند.
الماس تا لحظه ذوب ساختار بلوری آشنای خویش را حفظ می کند
پرسش دیگری نیز بازهم بی پاسخ مانده بود. نظریه ها پیش بینی می کردند که در فشاری حدود یک تریلیون پاسکال، شبکه اتمی خیلی منظم الماس قبل از ذوب کامل، موقتا به ساختاری از کربن معروف به «بی سی هشت» (BC8) تبدیل گردد. حتی برخی آزمایش های قدیمی تر، شواهدی از این گذار را در فشارهای بالاتر از حدود ۹۰۰ گیگاپاسکال گزارش کرده بودند. بااین حال، شبیه سازی های جدیدتر نشان می دهند تشکیل BC8 در فرآیند فشرده سازی سریع امکان دارد خیلی دشوار باشد.
بااینکه مقاله ی سال ۲۰۰۹ ذوب الماس را در فشارهایی تا ۱٫۱ تریلیون پاسکال نشان داده بود، حساسیت ابزارهای آزمایش برای تعیین حضور یا فقدان ساختار BC8 کافی نبود. در سالهای بعد، فناوری مشاهده ی ماده در وضعیت گذرا پیشرفت قابل ملاحظه ای کرد و میلوت و همکارانش بار دیگر سراغ مسئله رفتند.
محققان با استفاده از تأسیسات لیزر اُمگا در دانشگاه روچستر، پالس های لیزری قدرتمندی را به نمونه های خیلی کوچک الماس تاباندند تا موج های شوک ایجاد کنند. به این ترتیب، فشارهایی بین ۶۰۰ گیگاپاسکال و ۱٫۸ تریلیون پاسکال ایجاد کردند.
هدف الماسی در مرکز شلیک لیزر اُمگا جهت بررسی رفتار الماس تحت فشارهای خیلی شدید. نور سفید درخشان، پلاسمای ایجادشده در جریان آزمایش را نشان میدهد.Nature Physics
هم زمان، سرعت حرکت موج شوک، میزان داغ شدن و بازتابندگی الماس و مهم تر از همه، تغییرات ساختار بلوری آن با پرتو ایکس بررسی گردید. میلوت می گوید محققان توانستند نمونه های خیلی کوچک الماس را تا دماهایی بالاتر از سطح خورشید و فشارهایی بیش از فشار مرکز اورانوس و نپتون فشرده کنند و همزمان ساختار اتمی، دما، چگالی و بازتابندگی نوری آنها را اندازه بگیرند.
اندازه گیری های تازه مشکل در ارتباط با دمای ذوب را نیز برطرف کرد. بر مبنای داده های جدید، دمای ذوب الماس در فشار یک تریلیون پاسکال حدود ۷٬۳۰۰ کلوین (۷٬۰۲۷ درجه سانتی گراد) به دست آمد؛ عددی که بمراتب پایین تر از اندازه گیری های قبلی است و با محاسبات نظری که مدت ها با نتایج آزمایشگاهی قبلی سازگار نبودند، تطابق خوبی دارد.
اگرت می گوید مشاهده ی این که اندازه گیری های اولیه ی دمای ذوب بیشتر از هزار درجه خطا داشته اند، ناراحت کننده است؛ اما بهبود چشم گیر کیفیت داده ها با استفاده از ابزارهای تشخیصی جدید خیلی هیجان انگیز است.
محققان توانستند نمونه های خیلی کوچک الماس را تا دماهایی بالاتر از سطح خورشید و فشارهایی بیش از فشار مرکز اورانوس و نپتون فشرده کنند
پرتو ایکس همین طور نشان داد که ساختار بلوری الماس هنگام ذوب چه تغییری می کند. با افزایش فشار، سیگنال پراش پرتو ایکس کم کم ضعیف شد؛ یعنی بخش کمتری از نمونه بازهم ساختار بلوری داشت و در نهایت این سیگنال بطورکامل از بین رفت. بااین حال، تا آن زمان که محققان می توانستند ساختار اتمی نمونه را تشخیص دهند، شبکه بلوری مکعبی الماس بدون تغییر باقیمانده بود. محققان هیچ نشانه ی قابل توجهی از تشکیل ساختار BC8 پیدا نکردند. در حقیقت، الماس جامد و کربن مایع تا تکمیل فرآیند ذوب همزمان در کنار یکدیگر وجود داشتند.
محققان می گویند این نتیجه احیانا با سازوکاری که در شبیه سازی های قبلی پیش بینی شده بود، توضیح داده می شود. کربن در فشارهای مورد آزمایش امکان دارد از نظر ترمودینامیکی ساختار BC8 را ترجیح دهد، اما تشکیل این ساختار به شکستن و بازآرایی پیوندهای خیلی محکم میان اتم های کربن در الماس نیاز دارد؛ فرایندی که انرژی زیادی می طلبد. بنابراین، در وضعیت خیلی کوتاه مدت آزمایش، به نظر می آید الماس قبل از آنکه فرصت تغییر ساختار پیدا کند، ذوب می شود.
رفتار عجیب الماس به همین جا ختم نمی گردد. در فشارهای فوق العاده بالا، الماس جامد از کربن مایعی که هنگام ذوب تولید می شود، چگالی کمتری دارد؛ درست مانند یخ که از آب مایع سبک تر است. بنابراین، الماس جامد می تواند روی کربن مذاب شناور بماند. این خاصیت پیامد دیگری نیز دارد: در بخشی از بازه ی ذوب، افزایش فشار در واقع دمای ذوب الماس را می کاهد.
یافته ها کاربردهای بالقوه ای دارند. چنین آزمایش هایی می توانند اطلاعاتی در رابطه با ی درون سیاره های غول پیکر یخی مانند اورانوس و نپتون فراهم کنند؛ جایی که کربن امکان دارد با دما و فشارهایی مشابه شرایط بازسازی شده در این آزمایش رو به رو شود.
الماس همین طور در اهداف آزمایش های همجوشی محصورسازی لَختی استفاده می شود که در آنها کپسول های کوچک سوخت تحت فشارهای عظیم فشرده می شوند. بنابراین، شناخت دقیق تر واکنش کربن هنگام فروریزش این اهداف می تواند به بهبود مدلهای کامپیوتری مورد استفاده برای طراحی آزمایش های همجوشی کمک نماید.
محققان با واردکردن مدل جدید کربن به شبیه سازی ها دریافتند انرژی خالص حاصل از همجوشی می تواند تا سه برابر بیش از برآوردهای قبلی باشد. میلوت می گوید این کشف نشان میدهد میتوان از شوک های اولیه کندتر بهره برد و بازهم به ذوب کامل الماس در فرآیند فشرده سازی سوخت همجوشی رسید. به قول او، شوک کندتر موجب می شود سوخت همجوشی بیشتر فشرده شود و بنابراین، با همان میزان انرژی لیزر بتوان انرژی بیشتری از فرآیند همجوشی به دست آورد.
خلاصه اینکه در سال ۲۰۰۷، تعدادی از پژوهشگران گزارش دادند که با استفاده از لیزر و ایجاد موج شوک، الماس را در فشار ۷۵۰ گیگاپاسکال ذوب کرده اند که بیش از دو برابر فشار موجود در هسته داخلی زمین و حدود ۷٫۴ میلیون برابر فشار جو در سطح دریا است. با افزایش فشار، سیگنال پراش پرتو ایکس کم کم ضعیف شد؛ یعنی بخش کمتری از نمونه بازهم ساختار بلوری داشت و در نهایت این سیگنال بطورکامل از بین رفت. چنین آزمایش هایی می توانند اطلاعاتی در ارتباط با ی درون سیاره های غول پیکر یخی مانند اورانوس و نپتون فراهم کنند؛ جایی که کربن امکان دارد با دما و فشارهایی مشابه شرایط بازسازی شده در این آزمایش مواجه شود.
منبع: گل سپید
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان گل سپید در مورد این مطلب