Elmaslar, filmlerde genellikle “buz” olarak adlandırılır, ancak bu iki katı maddenin aslında pek bir benzerliği yok. Atom düzenlemelerinden oluşumlarına kadar, bu iki madde arasındaki farklar oldukça belirgin.
Bu nedenle, dünyanın en sert doğal minerali olan elmasın eriyebileceğini öğrenmek şaşırtıcı olabilir.
Ancak, ABD’deki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda (LLNL) Marius Millot liderliğindeki bir fizikçi ekibi, elmasların nasıl eridiğini detaylı olarak incelemiştir. Temel olarak, elmaslar erirken bile tanıdık kristal yapısını korur ve karbon atomları düzensiz hale gelir.
“Örneklerin tek bir şok dalgasına maruz kaldığında yapılarını değiştirecek kadar zamanı olmadığı için ‘hapset’ halde kalır,” diyor Millot .
Elmasları eritmek kolay olmasa da, geçmişte çeşitli deneyler yapılmıştır. Örneğin, 2007 yılında bir grup bilim insanı, elması 750 gigapaskal basınçla eriterek, bu basıncın Dünya’nın iç çekirdeğindeki basınca eşdeğer olduğunu ve deniz seviyesindeki atmosfer basıncının 7,4 milyon katı olduğunu göstermiştir. Bu çalışma .
2009 yılında yapılan bir araştırmada Jon Eggert liderliğinde, elmasın erime sıcaklığı doğrudan ölçülmüştür.
Teorik hesaplamalar geliştikçe, bir sorun ortaya çıkmıştır: deneysel erime sıcaklığı, kuantum mekaniksel tahminlerden yaklaşık %20 daha yüksekti.
“Teorisyenler ne kadar uğraştıysa, en gelişmiş bilgisayar simülasyon tekniklerini bile kullandıysalar, deney sonuçlarını yeniden üretemediler,” diyor Millot .
Aynı zamanda, yaklaşık bir terapaskal basınçta, elmasın sıkı düzenli atomik yapısının geçici olarak karbon adı verilen BC8 formuna geçtiği teorisi vardı. Önceki deneyler, bu dönüşümün 900 gigapaskal üzerindeki basınçlarda gerçekleştiğine dair kanıtlar sunmuştu. Ancak, daha yeni simülasyonlar, BC8’in oluşmasının hızlı sıkıştırma koşullarında çok zor olabileceğini göstermiştir.
2009 tarihli çalışma, 1,1 terapaskal basınca kadar elmasın erimesini gösterse de, bu deney, BC8 fazının ortaya çıkıp çıkmadığını belirlemek için yeterli hassasiyete sahip değildi.
Ancak, o zamandan beri, bu tür aşırı koşullar altında maddenin incelenmesi için teknoloji önemli ölçüde gelişmiştir. Bu nedenle, Millot ve ekibi konuya yeniden yaklaştılar.
University of Rochester’daki OMEGA Lazer Tesisi’ni kullanarak, araştırmacılar güçlü lazer darbeleriyle elmas örnekleri üzerinde şok dalgaları oluşturarak 600 gigapaskal ile 1,8 terapaskal arasındaki basınçlar yarattılar.
Aynı zamanda, şok dalgasının hızını, elmasın sıcaklığını ve yansıtıcılığını ölçtüler ve ayrıca X-ışınları kullanarak kristal yapının nasıl değiştiğini gözlemlediler.
“Küçük elmas örneklerini alıp, Güneş’in yüzeyinden daha sıcak ve Neptün’ün merkezindeki basınca eşdeğer basınçlara maruz bırakarak atomik yapıyı, sıcaklığı, yoğunluğu ve optik yansıtıcılığı ölçtük,” diyor Millot .
Bu yeni ölçümler, erime sıcaklığı sorununu çözdü. Elmasın erime noktasının yaklaşık 7300 Kelvin ve 1 terapaskal olduğunu belirlediler. Bu değer, önceki deneysel ölçümlere göre daha düşüktü ve teorik hesaplamalarla uyumluydu.
“İlk sıcaklık ölçümlerimizin 1000 dereceden fazla yanlış olduğunu keşfetmek hayal kırıklığı yaratıcı olsa da, yeni teşhis araçlarımızla elde edilen veri kalitesindeki bu dramatik iyileşmeyi görmek heyecan verici,” diyor Eggert .
X-ışınları ayrıca, elmas erirken kristal yapısının nasıl değiştiğini ortaya çıkardı. Araştırmacılar, basınç arttıkça, elmasın X-ışını difraksiyon sinyalinin giderek zayıkladığını ve dolayısıyla kalan elmas miktarının azaldığını gözlemlediler. Ancak, atomik yapı tespit edilebildiği sürece, kristal yapısı bozulmadı ve BC8 fazına dair herhangi bir belirti görülmedi.
Araştırmacılar, bu durumun, karbon bağlarının kırılmasını ve yeniden düzenlenmesini gerektiren enerjik olarak zorlu bir süreç olduğu için, elmasın erimesinden önce BC8 fazının oluşmasının mümkün olmadığını öne sürüyorlar. Bu nedenle, deney koşullarında elmas doğrudan sıvı karbona dönüşüyor.
Bu durum, elmasın normal buz gibi davranmasına neden oluyor. Normal buzun sıvı sudan daha yoğun olması gibi, elmas da sıvı karbondan daha yoğundur. Bu, elmasın sıvı karbon üzerinde yüzebileceği anlamına gelir. Ayrıca, bu durum, basıncın artmasıyla erime noktasının düşmesi gibi sıra dışı bir etki yaratır.
Bu sıra dışı özellikler, aynı zamanda pratik uygulamaları da vardır. Bu tür deneyler, karbonun basınç ve sıcaklık koşullarına maruz kaldığı Uranüs ve Neptün gibi buz devi gezegenlerin iç yapısını anlamamıza yardımcı olabilir. Ayrıca, bu bilgiler, küçük yakıt kapsüllerinin sıkıştırıldığı inert madde sınırlama füzyon deneylerinde kullanılan bilgisayar modellerini iyileştirebilir.
Araştırmacılar, güncellenmiş karbon modelini içeren simülasyonlarda, öngörülen füzyon enerji kazancının üç katına kadar artabileceğini buldular. Millot‘un belirttiği gibi, “Daha yavaş bir başlangıç şoku kullanarak bile elmasın tamamen erimesini sağlayabiliriz. Bu, yakıtın daha sıkıştırılabilir olmasını sağlar ve aynı lazer enerjisiyle daha yüksek enerji elde edebiliriz.”
Bu araştırma Nature Physics dergisinde yayınlanmıştır.
Kaynak:
Bu gelişme hakkında düşüncelerinizi, donanım deneyimlerinizi veya sorularınızı Topluluk Forumumuzda paylaşın.
Foruma Katıl & Yanıtla ➔
İlk yorumu siz yazın
Fikrinizi bir kaynak, soru veya yapıcı karşı görüşle geliştirin.