O diamante é famoso pela sua beleza, mas o seu valor vai além da joalharia. Esta forma excepcionalmente dura de carbono é usada para criar pequenas cápsulas que retêm combustível em experimentos de fusão por confinamento inercial. Os cientistas também acreditam que os diamantes podem se formar sob as superfícies de planetas gigantes gelados como Netuno e Urano e cair como chuva.
Em ambos os ambientes, os diamantes estão sujeitos a extrema pressão. No entanto, os investigadores têm lutado durante anos para determinar como o material reage em condições tão extremas porque medições laboratoriais e simulações de computador produziram resultados contraditórios.
Um novo estudo foi publicado em física da natureza Em última análise, esse problema pode ser resolvido. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) mediram como o diamante derrete a pressões três vezes maiores do que as encontradas no núcleo da Terra.
“Fomos capazes de colher pequenas amostras de diamantes e comprimi-las a temperaturas mais altas que a superfície do Sol e a pressões maiores que o centro de Netuno e Urano – e ainda medir a composição atômica, temperatura, densidade e refletância óptica”, disse o autor e cientista do LLNL, Marius Milot.
Os resultados resolvem duas discrepâncias de longa data na pesquisa de diamantes e aproximam as medições experimentais das simulações baseadas na mecânica quântica. As descobertas também podem ter implicações práticas importantes. Aplicá-los à fusão por confinamento inercial poderia permitir aos pesquisadores triplicar a energia, enquanto uma imagem mais clara do comportamento do diamante em altas pressões poderia melhorar os modelos de interiores planetários.
O mistério de 20 anos sobre o derretimento de diamantes
Os pesquisadores do LLNL examinaram diamantes em condições extremas durante décadas. Cerca de 20 anos atrás, o cientista de laboratório John Eggert e seus colegas conduziram experimentos pioneiros sobre a fusão de diamantes em alta pressão. O trabalho deles produziu uma observação incomum: o diamante tornou-se mais denso quando derretido.
“Embora isto seja incomum na maioria dos materiais, todos nós conhecemos um exemplo deste tipo de comportamento”, disse o cientista do LLNL, Marius Milot. “A água líquida é mais densa que o gelo, fazendo com que os cubos de gelo flutuem. A descoberta de John significa que os diamantes flutuarão no carbono líquido a altas pressões.”
Embora os experimentos tenham marcado um avanço importante, eles também representaram um grande enigma. A temperatura de fusão medida em laboratório diferiu em cerca de 20% da temperatura prevista pelo modelo teórico.
“Não importa o que os teóricos fizessem – mesmo com as mais avançadas técnicas de simulação computacional – eles não conseguiam reproduzir os experimentos”, disse Milot.
Experimentos nos Laboratórios Nacionais Sandia revelaram outra questão sem resposta. Os pesquisadores usaram o poderoso campo magnético da máquina Z para comprimir com choque pequenas amostras de diamante. Suas medições indicaram que o diamante poderia passar por outra estrutura cristalina antes de derreter completamente em carbono líquido.
Simulações de computador apoiaram essa interpretação. Porém, os pesquisadores não conseguiram observar diretamente a estrutura atômica do material comprimido, deixando a fase intermediária proposta não confirmada.
Laser mostra o que acontece quando um diamante derrete
Para investigar ambos os mistérios, a equipe do LLNL conduziu experimentos de compressão dinâmica acionados por laser no Laboratório de Laser Energética (LLE) da Universidade de Rochester.
Na Omega Laser Facility, os pesquisadores usaram intensa energia do laser para vaporizar a camada externa de uma pequena amostra. Esse processo lançou uma poderosa onda de choque dentro do diamante.
A coleta de medições precisas foi particularmente difícil porque as condições de pressão extrema duraram apenas cerca de bilionésimos de segundo. Durante esse breve intervalo, os pesquisadores precisaram registrar muitas propriedades do material, incluindo uma medição de difração de raios X que foi capaz de revelar seu arranjo atômico.
“Esta foi a primeira vez que o diamante comprimido por choque foi examinado com difração de raios X até derreter”, disse Milot. “Essas medições são extremamente difíceis porque o carbono é um átomo pequeno e leve. Ele espalha muito poucos raios X, então o sinal que precisávamos medir era bastante leve.”
Os pesquisadores do LLE ajudaram a desenvolver e manter melhores equipamentos de diagnóstico que tornaram essas medições possíveis. Usando novas ferramentas, a equipe obteve uma temperatura de fusão atualizada que correspondia quase perfeitamente às simulações de computador, resolvendo um desacordo que durava quase duas décadas.
“Embora tenha sido decepcionante saber que as nossas medições originais de temperatura estavam erradas em mais de 1.000 graus, é emocionante ver uma melhoria tão dramática na qualidade dos dados com o nosso novo diagnóstico”, disse Eggert. “Melhor ainda, a nossa estimativa original de fusão foi agora confirmada diretamente com difração de raios X.”
Um diamante permanece um diamante até derreter.
Os experimentos resolveram a discrepância na temperatura de fusão, mas deram uma resposta diferente à questão levantada pelos resultados do Sandia.
Em vez de se transformar em outra fase cristalina antes de derreter, o carbono manteve sua estrutura de diamante até o estado líquido. Nenhuma etapa intermediária surgiu durante o experimento.
“Achamos que isso ocorre porque a amostra não tem tempo para mudar quando sofre apenas um choque. Ela permanece ‘presa’ na estrutura do diamante”, disse Milot.
Essa diferença pode ser importante para futuros experimentos e simulações envolvendo materiais com densidade de energia extremamente alta. Os resultados mostram que a forma como o choque é aplicado pode afetar a resposta de um material. A pressão e a temperatura por si só não podem determinar qual estrutura um material adota.
A física do diamante pode melhorar a energia de fusão
O novo acordo entre teoria e experimento tem relevância imediata para a pesquisa de fusão por confinamento inercial.
Nessas experiências, lasers poderosos criam ondas de choque que forçam a explosão de uma pequena cápsula de diamante. A cápsula em colapso comprime o combustível de fusão às pressões e temperaturas extraordinárias necessárias para as reações de fusão.
Um objetivo importante durante o choque inicial é derreter o diamante em um fluido suave e uniforme. Irregularidades na explosão podem interferir no processo de compressão e enfraquecer a reação de fusão resultante.
Para garantir que as cápsulas de diamante derretam completamente, os cientistas do National Ignition Facility (NIF) do LLNL normalmente usam um choque inicial relativamente forte.
As novas medições indicam que este primeiro choque não precisa de ser tão forte como se pensava anteriormente.
“Nosso trabalho indica que podemos usar um choque inicial um pouco mais lento e ainda assim derreter completamente o diamante em nossas explosões NIF”, disse Milot. “Isto é emocionante porque este tipo de choque lento tornará o combustível de fusão mais comprimido. Isto, por sua vez, aumenta o rendimento máximo de energia que podemos obter com a mesma energia do laser.”
O modelo prevê que o uso desses choques mais lentos poderia potencialmente triplicar os ganhos de energia de fusão, desde que os pesquisadores possam manter sob controle outros processos que reduzem o desempenho.
Novas pistas sobre a chuva de diamantes dentro dos gigantes de gelo
As descobertas também podem ajudar os cientistas a compreender o que acontece dentro de Netuno e Urano.
Os investigadores não podem observar diretamente o interior destes gelos, por isso dependem fortemente de experiências de laboratório e modelos de computador para reconstruir as condições extremas abaixo das suas superfícies.
Alguns estudos sugerem que o carbono dentro destes planetas pode cristalizar-se em diamantes. Esses diamantes podem então cair no interior, causando o que os cientistas descrevem como uma “chuva de diamantes”.
Como as novas experiências sondaram diamantes a pressões ainda mais elevadas do que o esperado no interior dos gigantes gelados, as medições melhoradas do derretimento deram aos cientistas planetários uma base mais forte para modelar como Neptuno e Úrano se formaram e como os seus interiores evoluíram.
Levando o diamante a ainda mais extremos
A equipa do LLNL planeia agora utilizar as capacidades experimentais do NIF para detectar diamantes em condições que são ainda mais difíceis de reproduzir.
Trabalhos futuros investigarão como as cápsulas de diamante se comportam durante os últimos estágios da explosão de fusão e investigarão por quanto tempo a estrutura cristalina do diamante pode permanecer estável quando o material é submetido a uma sequência de múltiplas ondas de choque.
Outros autores do LLNL incluem Federica Copari, Amy Lazicki, Young-Jae Kim, Otto Landen, Vladimir Smalyuk e Peter Celliers. Renee Posadas e Eric Folsom, especialistas em geração de alvos do LLNL no HED Science Center Technology Facility, também contribuíram para o trabalho. Este estudo foi apoiado pelo Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório do LLNL.
