Usando um laser ultra-potente, os pesquisadores caracterizaram com sucesso o carbono líquido no laboratório pela primeira vez. Os experimentos oferecem uma visão rara de um dos elementos mais abundantes do universo, que, apesar de sua onipresença, permanece o menos compreendido em sua forma líquida entre elementos estáveis.
O carbono líquido é notoriamente difícil de fazer, porque existe apenas sob temperaturas e pressões extremas. O carbono (líquido) evapora diretamente a pressões ambientais. A fase líquida requer pressões de pelo menos várias centenas de atmosferas para formar ”, diz Dominik Krausum físico da Universidade de Rostock, na Alemanha, que liderou o novo estudo. ‘O carbono também tem a maior temperatura de fusão de todos os materiais nessas condições.’ Isso significa que nenhum material conhecido pode conter convenientemente carbono líquido para análise de laboratório.
“Você precisa criar um esquema inteligente e ainda lidar com o fato de ter um tempo finito para investigar a amostra antes de explodir”, acrescenta Craig Schwartzum especialista em caracterização de materiais da Universidade de Nevada, Las Vegas, nos EUA, que não estava envolvido no trabalho.
Sem a capacidade de produzi -lo reprodutivelmente, nossa compreensão do comportamento do carbono líquido – sua estrutura, dinâmica e propriedades físicas – permanece amplamente desconhecido. “Não sabemos basicamente nada”, diz Schwartz. “Temos a estrutura em apenas algumas pressões (e) não sabemos absolutamente nada sobre a dinâmica do sistema.”
No entanto, esse entendimento será importante para muitas tecnologias promissoras. “O carbono está intimamente envolvido em processos modernos vitais, (incluindo) síntese de novos materiais de carbono e desenvolvimento de reatores de fusão nuclear”, diz o químico físico Richard Saykally Da Universidade da Califórnia, Berkeley, nos EUA, que também não fazia parte da equipe do projeto.
‘Está ligado a Nanodiamonds, Q-carbonopotencialmente certos nanotubos ‘, acrescenta Schwartz. “Poderia basicamente ser um intermediário valioso em mais ou menos todas as formas avançadas de carbono”.
“Assim, é essencial entender a física do Liquid Carbon”, diz Saykally.
Além disso, acredita -se que o carbono líquido exista profundamente nos interiores planetários, como Urano e Netuno, onde os cientistas pensam que isso pode contribuir para seus campos magnéticos incomuns. “Estudar carbono líquido (ajudará) modelar como o carbono se comporta profundamente nesses planetas”, diz Kraus. “Pode sofrer mudanças incomuns-como mudar entre estados condutores e não condutores-que podem afetar o fluxo de calor de um planeta, o campo magnético e a estrutura geral”.
Compressão de choque
Para criar carbono líquido na Terra, Kraus e seus colegas usaram um laser de estado sólido recorde que foi desenvolvido no Reino Unido para a instalação europeia do XFEL e projetado para estudar matéria em condições extremas.
“(Nós dirigimos) fortes ondas de compressão de choque em amostras de carbono sólido usando um laser de alta energia pulsado”, explica Kraus. ‘As pressões que excederam um milhão de atmosferas foram alcançadas e as ondas de compressão simultaneamente aqueceram as amostras em temperaturas em torno de 7000k para formar carbono líquido para poucos nanossegundos.’
Os instantâneos da estrutura foram capturados usando pulsos de raios-X ultrabright, cada um com apenas 25 femtossegundos-cerca de 100.000 vezes mais curto que a já breve vida útil das amostras de carbono líquido.
“Estes são de longe os dados mais detalhados e informativos ainda obtidos para o estado líquido de carbono”, comentários Saykally, que acrescenta que os dados de difração se alinham estreitamente com as previsões dos cálculos teóricos.
No diamante sólido, cada átomo de carbono é ligado a outros quatro em uma estrutura fixa e estável. Quando derretido, você esperaria que esses títulos quebrassem completamente. Mas mesmo em forma líquida, Kraus e sua equipe descobriram que os átomos de carbono ainda tendem a ficar perto de quatro vizinhos. “Preserva um pouco os remanescentes da estrutura sólida de diamante, que também é tetraédrica”, diz Kraus. ‘Nós (também restringimos) a temperatura de fusão a cerca de 6700k a uma pressão de 1,2 milhão de atmosferas.’
Saykally observa que um próximo passo é investigar as propriedades eletromagnéticas do carbono líquido, tanto no volume quanto na superfície. “Sua reatividade química precisará ser entendida (…) para construir dispositivos e sistemas que podem (usá -lo de maneira eficaz).”
Kraus observa que sua equipe agora planeja expandir suas técnicas baseadas em laser para estudar outros materiais sob extrema pressão e temperatura. “(Nós) estudamos misturas de elementos leves que podem existir nos interiores planetários e na química em condições extremas”, explica ele. “Isso também pode ser interessante para formar nanodiamantes dopados ou outras fases com potencial tecnológico.”