科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

由德國(guó)羅斯托克大學(xué)和亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心（HZDR）領(lǐng)銜的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)，在近日出版的《自然》雜志中刊發(fā)了一項(xiàng)重大突破：他們利用歐洲X射線自由電子激光裝置（XFEL）上的高性能激光器DIPOLE100-X，首次成功測(cè)量出液態(tài)碳的微觀結(jié)構(gòu)。

液態(tài)碳存在于行星內(nèi)部深處，同時(shí)在未來(lái)核聚變等技術(shù)中具有重要應(yīng)用前景。然而，由于研究條件極其苛刻，科學(xué)家對(duì)液態(tài)碳的認(rèn)識(shí)一直非常有限。在常壓下，碳不會(huì)熔化，而是直接升華成氣態(tài)；只有在約4500攝氏度和極端高壓下，碳才會(huì)液化，但常規(guī)實(shí)驗(yàn)容器根本無(wú)法承受如此極端的環(huán)境。

激光壓縮技術(shù)可通過(guò)高能激光，在納秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)將固體碳瞬間液化，但其挑戰(zhàn)在于如何在這個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的液態(tài)瞬間展開(kāi)測(cè)量。為此，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將強(qiáng)大的激光壓縮技術(shù)、超快X射線分析技術(shù)以及大面積X射線探測(cè)三項(xiàng)尖端技術(shù)相結(jié)合。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，DIPOLE100-X激光器產(chǎn)生的高能脈沖驅(qū)動(dòng)壓縮波穿過(guò)固體碳樣品，使材料在極短時(shí)間內(nèi)液化。就在這稍縱即逝的液態(tài)瞬間，XFEL裝置發(fā)出的超短X射線激光脈沖精準(zhǔn)照射樣品。通過(guò)分析碳原子發(fā)出的X射線的散射圖案（類(lèi)似光通過(guò)光柵產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象），研究團(tuán)隊(duì)成功解析出液態(tài)碳的原子排列方式。

通過(guò)調(diào)節(jié)X射線脈沖的延遲時(shí)間，或改變壓力和溫度條件，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，從而獲得了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將無(wú)數(shù)張快照組合成一部“原子電影”。測(cè)量結(jié)果顯示，液態(tài)碳的微觀結(jié)構(gòu)與固態(tài)鉆石相似，每個(gè)碳原子周?chē)加?個(gè)最近鄰原子。

研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，最新研究不僅首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭開(kāi)了液態(tài)碳的神秘面紗，驗(yàn)證了理論模擬的預(yù)測(cè)，還精確測(cè)定了碳的熔點(diǎn)范圍（此前理論預(yù)測(cè)存在很大分歧）。這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)于行星內(nèi)部建模和核聚變技術(shù)研發(fā)都具有重要價(jià)值。最新研究也開(kāi)創(chuàng)了極端條件下物質(zhì)研究的新紀(jì)元。