Laser cực mạnh làm tan chảy kim cương và giải quyết bí ẩn kéo dài hàng thập kỷ

Kim cương thường được biết đến là một trong những vật liệu cứng nhất tự nhiên. Nhưng khi bị nén bằng sóng xung kích do laser tạo ra ở áp suất lên tới khoảng một terapascal, nó cuối cùng cũng nóng chảy. Một thí nghiệm mới đã đo quá trình này chính xác hơn và đồng thời giải quyết một bất đồng kéo dài hàng chục năm về nhiệt độ nóng chảy của kim cương.

Kết quả cho thấy những phép đo trước đây cao hơn giá trị mới khoảng 700°C. Quan trọng hơn, các nhà nghiên cứu không tìm thấy bằng chứng cho thấy kim cương phải chuyển sang một cấu trúc carbon rắn khác trước khi nóng chảy trong các điều kiện được khảo sát.

Vì sao nhiệt độ nóng chảy của kim cương lại khó đo?

Ở điều kiện thông thường, kim cương rất bền và không đơn giản chuyển thẳng thành chất lỏng khi được nung nóng. Nhưng ở áp suất cực lớn, cấu trúc của carbon thay đổi theo cách phức tạp.

Những điều kiện này cũng cực kỳ khó tạo ra và duy trì trong phòng thí nghiệm. Trạng thái vật chất chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn, trong khi nhiệt độ có thể lên tới hàng nghìn kelvin và áp suất đạt hàng trăm gigapascal đến terapascal.

Các thí nghiệm trước đây và các mô phỏng lý thuyết từng không hoàn toàn thống nhất. Sự chênh lệch giữa dữ liệu thực nghiệm và mô hình có lúc lên tới khoảng 1.244°C, tương đương gần 20% nhiệt độ được so sánh.

Vấn đề không phải là các nhà khoa học không biết kim cương có thể nóng chảy, mà là họ chưa có một phép đo đủ rõ để xác định chính xác đường nóng chảy của nó ở áp suất cực cao.

Laser biến một viên kim cương nhỏ thành phòng thí nghiệm cực hạn

Nhóm nghiên cứu do Marius Millot và các cộng sự thực hiện thí nghiệm tại Omega Laser Facility của Laboratory for Laser Energetics thuộc Đại học Rochester, với sự tham gia của các nhà khoa học từ Lawrence Livermore National Laboratory.

Các mẫu kim cương siêu nhỏ được chế tạo và đặt trong một cấu hình thí nghiệm đặc biệt. Xung laser cực mạnh làm bốc hơi lớp vật liệu bên ngoài, tạo ra một sóng xung kích truyền vào phần kim cương còn lại.

Sóng xung kích này nén mẫu trong khoảng thời gian chỉ cỡ nano giây. Trong khoảng thời gian cực ngắn đó, các nhà nghiên cứu phải đồng thời xác định vận tốc sóng, nhiệt độ, độ phản xạ quang học và cấu trúc nguyên tử của carbon.

Làm sao biết kim cương đã nóng chảy?

Không thể đơn giản nhìn vào mẫu kim cương vì nó quá nhỏ và trạng thái nóng chảy chỉ tồn tại trong thời gian cực ngắn. Vì vậy, nhóm nghiên cứu kết hợp nhiều phép đo độc lập.

• Đo vận tốc quang học: xác định cách sóng xung kích truyền qua mẫu.
• Đo nhiệt độ: phân tích ánh sáng nhiệt phát ra từ mẫu bị nén.
• Đo độ phản xạ: theo dõi sự thay đổi tính chất quang học khi carbon chuyển sang trạng thái dẫn điện hơn.
• Nhiễu xạ tia X: kiểm tra trực tiếp cấu trúc nguyên tử của vật liệu trong quá trình bị nén.

Sự kết hợp này đặc biệt quan trọng. Một dấu hiệu đơn lẻ có thể khó phân biệt giữa nóng chảy và một chuyển pha khác, trong khi nhiều phép đo cùng chỉ về một trạng thái sẽ cho kết luận đáng tin cậy hơn.

Kim cương nóng chảy ở khoảng 7.300 K

Kết quả mới cho thấy đường nóng chảy của kim cương nằm quanh 7.300 K trong vùng áp suất được khảo sát và có xu hướng giảm nhẹ khi áp suất tăng.

Ở khoảng 660–1.060 gigapascal, nhóm nghiên cứu quan sát trạng thái trong đó các phần kim cương rắn tồn tại cùng carbon lỏng. Khi áp suất và điều kiện nhiệt tăng lên, tỷ lệ carbon chuyển sang pha lỏng tăng dần.

Để hình dung mức độ cực đoan của điều kiện này, 7.300 K tương đương khoảng 7.027°C, cao hơn nhiệt độ bề mặt Mặt Trời. Áp suất khoảng 1 TPa cũng lớn hơn rất nhiều so với áp suất trong các môi trường thông thường trên Trái Đất.

Một bí ẩn khác: kim cương có chuyển sang pha BC8 không?

Trước đây, một số mô phỏng lý thuyết dự đoán rằng khi áp suất tăng đến khoảng 1 TPa, carbon dạng kim cương có thể chuyển sang một cấu trúc rắn khác gọi là BC8 trước khi tiến tới trạng thái lỏng.

Điều này tạo ra một câu hỏi quan trọng: nếu pha BC8 thực sự hình thành, các thí nghiệm phải quan sát được dấu vết cấu trúc tương ứng.

Trong thí nghiệm mới, nhiễu xạ tia X không cho thấy sự chuyển tiếp rõ ràng sang BC8 trước khi mẫu nóng chảy. Kết quả phù hợp hơn với kịch bản cấu trúc kim cương vẫn tồn tại tới gần 1 TPa rồi chuyển sang carbon lỏng dưới điều kiện thích hợp.

Vậy tại sao mô hình cũ và thí nghiệm cũ lại khác nhau?

Nghiên cứu mới cho rằng một phần bất đồng trước đây có thể đến từ sự khó khăn trong việc xác định chính xác thời điểm và điều kiện mà mẫu thực sự đạt tới trạng thái nóng chảy.

Ở những áp suất cực lớn, một vật liệu có thể trải qua nhiều biến đổi đồng thời: nhiệt độ tăng, mật độ thay đổi, độ dẫn điện thay đổi và sóng xung kích di chuyển qua mẫu. Nếu chỉ dựa vào một dấu hiệu, việc xác định ranh giới giữa các pha có thể không rõ ràng.

Những phép đo mới có lợi thế là kết hợp cấu trúc nguyên tử với nhiệt độ và tính chất quang học. Nhờ đó, kết quả thực nghiệm tiến gần hơn với các dự đoán lý thuyết hiện có và làm giảm đáng kể khoảng cách giữa hai nhóm kết quả.

Điều này có ý nghĩa gì với Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương?

Carbon dưới áp suất và nhiệt độ cực cao không chỉ là vấn đề của phòng thí nghiệm. Nó có thể tồn tại trong sâu bên trong các hành tinh khổng lồ giàu carbon như Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.

Các mô hình về những hành tinh băng khổng lồ này từ lâu đã xem xét khả năng carbon hình thành từ methane và các hợp chất hydrocarbon, sau đó chịu áp suất cực lớn trong lòng hành tinh. Trong một số điều kiện, carbon có thể tồn tại dưới dạng kim cương và cuối cùng chuyển sang trạng thái lỏng dẫn điện.

Vì carbon lỏng có thể dẫn điện và có mật độ cao hơn kim cương, sự hiện diện của nó có thể ảnh hưởng đến cách các nhà khoa học mô hình hóa cấu trúc bên trong, quá trình vận chuyển nhiệt và động lực học của các hành tinh này.

“Mưa kim cương” có liên quan gì?

Khái niệm mưa kim cương trong các hành tinh băng khổng lồ xuất phát từ khả năng carbon trong các phân tử hydrocarbon bị tách ra dưới áp suất và nhiệt độ cao, sau đó kết tinh thành kim cương và chìm xuống các lớp sâu hơn.

Nghiên cứu mới không trực tiếp quan sát “mưa kim cương” bên trong một hành tinh. Nhưng việc biết chính xác hơn cách kim cương và carbon lỏng tồn tại ở áp suất cực cao giúp các mô hình hành tinh mô tả quá trình này đáng tin cậy hơn.

Laser và giấc mơ nhiệt hạch

Một ứng dụng khác của kết quả nằm ngay trên Trái Đất: nhiệt hạch quán tính.

Trong một số thiết kế, các laser cực mạnh được dùng để nén viên nhiên liệu chứa deuterium và tritium. Kim cương có thể đóng vai trò vật liệu của viên nang hoặc cấu trúc bao quanh nhiên liệu trong các thiết kế nhiệt hạch. Hiểu chính xác cách kim cương phản ứng khi bị laser nén ở điều kiện cực hạn giúp các nhà nghiên cứu xây dựng mô hình tốt hơn cho quá trình này.

Thí nghiệm mới không trực tiếp tạo ra một phản ứng nhiệt hạch có lợi nhuận năng lượng. Giá trị của nó nằm ở việc cung cấp dữ liệu vật chất cơ bản cho những mô phỏng mà các thí nghiệm nhiệt hạch trong tương lai cần đến.

Một thí nghiệm nhỏ mở ra một bài toán lớn

Điều đáng chú ý nhất của nghiên cứu không phải là việc con người có thể làm tan chảy kim cương. Điều đó đã được biết từ trước. Điểm quan trọng là nhóm nghiên cứu đã đo trạng thái của carbon ở điều kiện cực đoan với độ chính xác đủ để giải quyết một bất đồng kéo dài nhiều năm.

Kết quả mới cho thấy kim cương có thể giữ cấu trúc của mình đến gần 1 TPa và đường nóng chảy nằm gần 7.300 K trong vùng nghiên cứu. Nó đồng thời cung cấp bằng chứng chống lại kịch bản chuyển tiếp sang BC8 trong những điều kiện được khảo sát.

Từ một mẫu kim cương nhỏ bị nghiền bằng sóng xung kích trong vài phần tỷ giây, các nhà khoa học có thêm dữ liệu để hiểu những nơi xa xôi như lòng Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương — cũng như cách vật liệu hoạt động trong những hệ thống laser nhiệt hạch cực mạnh.