Vědci dokončili průkopnický experiment na evropském XFEL.
Mezinárodní tým vědců vedený University of Rostock a Helmholtz-Center Dressing-Rostendorf (HZDR), rozhodl se prozkoumat hmotu pod extrémním tlakem. V roce 2023 poprvé použili laser s vysokým výkonem 100-X na Evropském XFEL, což dosáhlo pozoruhodných výsledků. Jejich průkopnický experiment úspěšně zachytil chování kapalinového uhlíku, což je nikdy předtím, jak je uvedeno v časopise Příroda.
Kapalný uhlík se přirozeně vyskytuje na planetách a může hrát klíčovou roli v budoucích energetických technologiích, jako je jaderná fúze. Až dosud však vědci o tomto nepolapitelném stavu věděli jen velmi málo. Výzva spočívá v tom, že uhlík se za normálních podmínek neroztaví. Místo toho je zcela obejít kapalnou fázi a promění se přímo na plyn.
Pro transformaci na kapalinu vyžaduje uhlík extrémní tlaky kombinované s teplotami asi 4 500 stupňů Celsianejvyšší bod tání jakéhokoli známého materiálu. Obsahování takových podmínek v laboratorním prostředí bylo již dlouho nemožné, protože je nemohl přežít žádný fyzický kontejner.
Laserová komprese poskytla průlom. Dodáváním intenzivního, krátkého výbuchu energie byl dipól 100-X laser schopen přeměnit pevný uhlík na kapalinu pouze za frakce sekundy. Skutečnou výzvou bylo zachycení údajů během tohoto prchavého okamžiku. Díky jedinečným schopnostem evropského XFEL, nejsilnějšího rentgenového laseru na světě, který se nachází ve Schenefeldu poblíž Hamburku, byli vědci konečně schopni tato měření provést. Jeho rentgenové impulsy ultrashort umožnily prozkoumat stav kapaliny v reálném čase a proměnit kdysi nepředstavitelný experiment do reality.
Unikátní měřicí technologie v této kombinaci
Unikátní kombinace evropského XFEL s vysoce výkonným laserem dipólem100-X byla zásadní pro úspěch experimentu. Byl vyvinut Radou British Science and Technology Facilities Council a byl zpřístupněn vědcům z celého světa konsorciem uživatele HIBEF (Helmholtz International Beamline pro extrémní pole). Komunita předních mezinárodních výzkumných institucí v experimentální stanici HED-HIBEF (vysoká hustota energie) na Evropské XFEL nyní poprvé kombinovala výkonnou laserovou kompresi s ultrarychlou rentgenovou analýzou a rentgenovou detektory s velkým rozsahem.
V experimentu se vysokoenergetické impulsy kompresního pohonu dipól100-x vlny pevného vzorku uhlíku a zkapalnění materiálu pro nanosekundy, tj. Po dobu sekundy. Během této nanosekundy je vzorek ozářen rentgenovým laserovým zábleskem ultrashortu evropského xfelu. Atomy uhlíku rozptylují rentgenové světlo-podobné způsobu, jakým je světlo difrakční mřížkou. Difrakční vzor umožňuje nakreslení závěrů o aktuálním uspořádání atomů v kapalném uhlíku.
Celý experiment trvá jen několik sekund, ale mnohokrát se opakuje: pokaždé s mírně zpožděným rentgenovým pulsem nebo za mírně odlišných podmínek tlaku a teploty. Mnoho snímků se spojí a natočí film. Vědci tak dokázali vysledovat přechod z pevné do kapalné fáze jeden krok najednou.
Struktura podobná vodu a přesný bod tání
Měření odhalila, že se čtyřmi nejbližšími sousedy jsou systematika kapalného uhlíku podobná pevnému diamantu. „Je to poprvé, co jsme kdy byli schopni experimentálně pozorovat strukturu kapalného uhlíku. Náš experiment potvrzuje předpovědi sofistikovaných simulací kapalného uhlíku. Díváme se na komplexní formu kapaliny, srovnatelnou s vodou, která má velmi zvláštní strukturální vlastnosti,“ vysvětluje vedoucí pracovní skupiny pro výzkumnou spolupráci, prof.
Vědci se také podařilo přesně zúžit bod tání. Teoretické předpovědi o struktuře a bodu tání se až dosud výrazně lišily. Přesné znalosti jsou však zásadní pro modelování planety a určité koncepty pro výrobu energie prostřednictvím jaderné fúze.
První dipólový experiment na evropském XFEL také ukazuje v nové éře v měření záležitosti pod vysokým tlakem, jak vedoucí skupiny HED, Dr. Ulf Zastrau, zdůrazňuje: „Nyní máme sadu nástrojů pro charakterizaci hmoty za vysoce exotických podmínek v neuvěřitelných detailech.“ A potenciál experimentu není zdaleka vyčerpán. V budoucnu by výsledky, které v současné době trvá několik hodin experimentu, by mohly být k dispozici za několik sekund – jakmile komplexní automatické ovládání a zpracování dat fungují dostatečně rychle.
Reference: „Struktura kapaliny uhlíkových kapalin. Liermann, II Oleynik, St. Pandolfi, R. Butcher, V. Central, J. Solemn, J. Collier. Galitsky, E Keen, J. Krygier, A. Krygier, L. Labate, A. Laso Garcia, Ae Lazicki, Lee, Lee, M. NAGATUTUMUMI, K. K. Nguyen-Cong, A.-M. T. Vinci, M. Tyldesley, SC Vogel, JT Wark, JT Willman, L 2025, Příroda.
Dva: 10.1038/S41586-025-09035-6
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
