Carbono, o quarto elemento mais abundante do universo, é um bloco de construção para todas as formas de vida conhecidas e um material que fica no interior de exoplanetas ricos em carbono.

Décadas de intensa investigação por cientistas mostraram que a estrutura cristalina do carbono tem um impacto significativo em suas propriedades. Além de grafite e diamante, as estruturas de carbono mais comuns encontradas em pressões ambientais, os cientistas previram várias novas estruturas de carbono que podem ser encontradas em pressões superiores a 1, 000 gigapascais (GPa). Essas pressões, cerca de 2,5 vezes a pressão no núcleo da Terra, são relevantes para modelar interiores de exoplanetas, mas têm sido impossíveis de obter em laboratório.

Isso é, até agora. No programa Discovery Science, que permite que cientistas acadêmicos tenham acesso ao carro-chefe da National Ignition Facility (NIF) do LLNL, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo LLNL e pela Universidade de Oxford mediu com sucesso o carbono em pressões que atingem 2, 000 GPa (5 vezes a pressão no núcleo da Terra), quase dobrando a pressão máxima na qual uma estrutura de cristal já foi diretamente sondada. Os resultados foram relatados hoje em Natureza .

"Nós descobrimos isso, surpreendentemente, sob essas condições, o carbono não se transforma em nenhuma das fases previstas, mas retém a estrutura do diamante até a pressão mais alta, "disse a física do LLNL Amy Jenei, autor principal do estudo. "As mesmas ligações interatômicas ultra-fortes (que exigem altas energias para quebrar) que são responsáveis ​​pela estrutura de diamante metaestável do carbono que persiste indefinidamente na pressão ambiente também estão provavelmente impedindo sua transformação acima de 1, 000 GPa em nossos experimentos. "

O componente acadêmico da colaboração foi liderado pelo professor Justin Wark de Oxford, que elogiou a política de acesso aberto do Lab.

"O programa NIF Discovery Science é imensamente benéfico para a comunidade acadêmica, "disse ele." Isso não só permite que o corpo docente estabelecido a chance de apresentar propostas para experimentos que seriam impossíveis de fazer em outro lugar, mas também oferece aos alunos de pós-graduação, quem são os cientistas seniores do futuro, a chance de trabalhar em uma instalação completamente única. "

A equipe - que também incluiu cientistas do Laboratório de Energética Laser da Universidade de Rochester (LLE) e da Universidade de York - aproveitou a alta potência e energia excepcionalmente alta do NIF e a modelagem precisa de pulso de laser para comprimir o carbono sólido a 2, 000 GPa usando pulsos de laser em forma de rampa. Isso permitiu que eles medissem a estrutura cristalina usando uma plataforma de difração de raios-X e capturassem um instantâneo da rede atômica com a duração de nanossegundos. Esses experimentos quase dobram a alta pressão recorde em que a difração de raios-X foi registrada em qualquer material.

Os pesquisadores descobriram que, mesmo quando submetidos a essas condições intensas, o carbono sólido retém sua estrutura de diamante muito além de seu regime de estabilidade prevista, confirmando as previsões de que a força das ligações moleculares no diamante persiste sob enorme pressão. Isso resulta em grandes barreiras de energia que impedem a conversão para outras estruturas de carbono.

"Se a natureza encontrou uma maneira de superar a barreira de alta energia para a formação das fases previstas no interior dos exoplanetas ainda é uma questão em aberto, "Jenei disse." Medições adicionais usando uma via de compressão alternativa ou começando a partir de um alótropo de carbono com uma estrutura atômica que requer menos energia para reorganizar irão fornecer uma visão mais aprofundada. "