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碳的压力是地球核心压力的5倍,打破了晶体形成记录

碳的压力是地球核心压力的5倍,打破了晶体形成记录

物理学 凝聚态 全文翻译
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2021-01-29 19:25:31


劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的 布雷安娜·毕晓普(Breanna Bishop)



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 艺术家绘制的55 Cancri e(富含碳的系外行星)的渲染图。在实验室环境中,通过NIF的发现科学计划进行的实验首次达到了与了解占据这些系外行星内部碳的结构有关的极端压力。图片来源:ESA / Hubble / M。康美瑟

 

碳是宇宙中第四大最丰富的元素,是所有已知生命的基石,也是位于富含碳的系外行星内部的一种物质。

几十年来,科学家的大量研究表明,碳的晶体结构对其性能具有重大影响。除了在常压下发现的最常见的碳结构即石墨和金刚石外,科学家还预测了在高于1000吉帕斯卡(GPa)的压力下可以发现的几种新碳结构。这些压力大约是地球核心压力的2.5倍,与模拟系外行星内部有关,但在实验室中无法实现。

也就是说,直到现在。根据发现科学计划,学术科学家可以使用LLNL的旗舰国家点火装置(NIF),由LLNL和牛津大学领导的国际研究人员团队成功地测量了压力达到2,000 GPa(地球压力的5倍)的碳。芯),几乎是直接探测晶体结构的最大压力的两倍。该结果今天在《自然》杂志上发表。

LLNL物理学家艾米·杰尼(Amy Jenei)说:“令人惊讶的是,在这些条件下,我们发现碳不会转变为任何预测的相,而是保留了直至最高压力的金刚石结构。” “同样的超强原子间键(需要高能才能断裂),它们负责在环境压力下无限期持久存在的亚稳碳金刚石结构,也有可能在我们的实验中阻碍其在1000 GPa以上的转变。”

合作的学术部分由牛津大学教授贾斯汀·沃克(Justin Wark)领导,他赞扬了实验室的开放访问政策。

他说:“ NIF探索科学计划对学术界非常有益。” “这不仅使老牌教师有机会提出在其他地方不可能做的实验提案,而且重要的是还为未来的资深科学家研究生提供了在完全独特的设施上工作的机会。”

该团队(其中还包括来自罗切斯特大学激光能量学实验室(LLE)和约克大学的科学家)利用NIF独特的高功率和能量以及精确的激光脉冲整形功能,使用斜坡形激光将固体碳压缩到2,000 GPa。脉冲。这使他们能够使用X射线衍射平台测量晶体结构,并捕获原子晶格的纳秒持续时间快照。这些实验几乎是在任何材料上记录X射线衍射的记录高压的两倍。

研究人员发现,即使在如此严酷的条件下,固体碳仍能保持其金刚石结构远远超出其预测的稳定性范围,从而证实了有关金刚石中分子键强度在巨大压力下持续存在的预测。这导致了巨大的能量屏障,阻碍了向其他碳结构的转化。

杰尼说:“大自然是否找到了克服高能垒以形成系外行星内部预测相的方法仍是一个悬而未决的问题。” “使用替代压缩途径进行的进一步测量,或从具有较少能量来重新排列原子结构的同素异形体开始,将提供进一步的见解。


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 来源于:phys



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