Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kapalný uhlík se (zřejmě) nachází například v nitru planet a měl by hrát důležitou roli v budoucích technologiích, jako je jaderná fúze. Dosud jsme však o uhlíku v kapalné formě věděli jen velmi málo, protože v tomto stavu jej bylo prakticky nemožné studovat v laboratoři: Za normálního tlaku se uhlík neroztaví, ale při určité teplotě sublimuje.
Pouze za extrémního tlaku a při teplotě přibližně 4 500 °C (vyšší bod tání žádného materiálu snad ani znám není) se uhlík roztaví. Žádná nádoba by to nevydržela. Naproti tomu laserová komprese pevný uhlík proměnit v kapalinu dokáže, alespoň na zlomky sekundy. Hlavní výzvou pro vědce bylo využít tento interval k měřením, respektive charakterizaci kapalného uhlíku. Nakonec se to podařilo díky největšímu rentgenovému laseru na světě s ultrakrátkými pulzy v Schenefeldu u Hamburku.
Při experimentu procházejí vysokoenergetické pulzy laseru DIPOLE100-X pevným vzorkem uhlíku a zkapalňují materiál na dobu nanosekund. Během těchto nanosekund byl vzorek ozařován ultrakrátkým rentgenovým laserovým zábleskem jiného laseru (XFEL). Atomy uhlíku rozptylují rentgenové záření, takže získaný difrakční vzor umožňuje vyvodit závěry o aktuálním uspořádání atomů v kapalném uhlíku.
Celý experiment trvá jen několik sekund, ale opakuje se mnohokrát: pokaždé s mírně zpožděným rentgenovým pulzem nebo za mírně odlišných tlaků a teplot. Z mnoha snímků se vytvoří film. Vědci tak mohli krok za krokem sledovat přechod z pevné do kapalné fáze. V kapalném uhlíku byl každý atom obklopen nejčastěji 4 sousedy, struktura se podobala diamantu (tedy ten byl nejbližší ze známých pevných fází uhlíku).
„Náš experiment potvrzuje předpovědi, které byly učiněny na základě sofistikovaných simulací kapalného uhlíku. Pozorujeme komplexní formu kapaliny, srovnatelnou s vodou, která má velmi zvláštní strukturní vlastnosti,“ uvádí spoluautor studie Dominik Kraus z Univerzity v Rostocku a HZDR.
Výzkumníkům se také podařilo přesněji určit bod tání. Dosavadní teoretické předpovědi týkající se struktury kapalného uhlíku a teploty tání se značně rozcházely. Přesné znalosti jsou však klíčové pro modelování nitra planet a některé metody výroby energie pomocí jaderné fúze.
D. Kraus et al, The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09035-6
Zdroj: Helmholtz Association of German Research Centres / Phys.org
