Vědci roztavili diamant. Místo ledu dostali něco mnohem divnějšího

„Uhlík nikdy nespěchá. Trpělivě čeká miliony let v podobě vápence, dřeva nebo diamantu, lhostejný k tomu, jakou formu mu okolnosti zrovna vnutí.“

(volně, inspirováno esejí Uhlík z knihy Periodický systém, Primo Levi, 1975)

Ve filmech o loupežích mají diamanty odjakživa přezdívku „led“. Je to elegantní zkratka, ale fyzikálně je to nesmysl, jaký si těžko představit lépe. Led vzniká, když se voda pomalu ochladí. Diamant vzniká, když se uhlík stovky kilometrů pod zemí roky tiskne pod obřím tlakem a teplem. Jedna věc se rodí z klidu a chladu, druhá z násilí a žáru. A přesto se ukázalo, že když diamant přinutíte roztát, začne se najednou chovat překvapivě podobně jako jeho zamrzlý jmenovec.

Tým fyziků kolem Mariuse Millota z Lawrence Livermore National Laboratory nedávno publikoval v časopise Nature Physics experiment, který měl zodpovědět otázku, jež vědce trápila skoro dvacet let. Co se přesně děje, když se nejtvrdší přírodní materiál na Zemi roztaví. A odpověď je jedna z těch, u kterých si teoretici asi nejdřív odkašlali, pak si sedli a řekli „Počkat, cože?“.

Diamant, který odmítá posloupnost

„Led je led. Dokud ho nezahřejete na sedm tisíc stupňů Kelvina a nezjistíte, že to celou dobu vlastně nebyl led.“

(ve stylu klasického filmového lupiče z heist žánru, volná parafráze)

Normálně bychom čekali, že tavení je proces, kde tavená věc prochází mezikroky. Při tání ledu jasně vidíme odtékající vodu. Kov měkne, pak se rozteče. U diamantu za extrémních tlaků teoretici dlouho předpovídali podobný mezikrok, tedy přechodnou fázi uhlíku nazvanou BC8, do které by se krystalová mřížka měla přeskupit těsně předtím, než se úplně rozpadne do kapaliny.

Jenže ouha, nic takového se nestalo. Když tým v Rochesteru vystřelil pomocí laserového zařízení OMEGA do drobných diamantových vzorků rázové vlny, tlak byl někde mezi 600 gigapascaly a 1,8 terapascalu. Pro představu horní měz je cca pětkrát víc, než je tlak v zemském jádru. Rentgenová difrakce ukázala něco jednoduššího a zároveň bizarnějšího. Dokud v materiálu vůbec šlo detekovat nějakou krystalovou strukturu, byla to pořád ta stejná, obyčejná diamantová mřížka. Žádné mezistadium. Krystal a kapalný uhlík prostě koexistovaly vedle sebe, dokud se celý vzorek nerozpustil.

„Domníváme se, že je to proto, že vzorek nemá čas se změnit, když zažije jen jeden jediný ráz,“ vysvětluje Millot. „Zůstává ‚uvězněný‘ v diamantové struktuře.“ Jinými slovy – diamant je tak tvrdohlavý, že si ani ve chvíli vlastního zániku nedovolí polevit ve formálnostech. Buď je diamant, nebo je kapalina. Nic mezi tím.

Chyba o tisíc stupňů

Součástí příběhu je i docela pokořující epizoda z vědecké historie. Předchozí měření z let 2007 a 2009, vedená mimo jiné fyzikem Jonem Eggertem z téže laboratoře, stanovila teplotu tání diamantu na hodnotu, která se s teoretickými kvantově-mechanickými výpočty rozcházela zhruba o dvacet procent. Ať teoretici zkoušeli sebesofistikovanější simulace, výsledky experimentu prostě odmítaly sedět.

Nová měření s lepší diagnostikou problém vyřešily. Jenže opět ouha, ne tak, že by potvrdily starou hodnotu. Ukázalo se, že původní odhady byly prostě špatně. Nové číslo, zhruba 7 300 kelvinů při tlaku jednoho terapascalu, se s teorií shoduje mnohem líp. „Bylo frustrující zjistit, že naše původní teplotní měření byla mimo o víc než tisíc stupňů, ale je vzrušující vidět takové dramatické zlepšení kvality dat,“ přiznává Eggert. Málokdy se v seriózní fyzice někdo takhle otevřeně přizná k chybě o tisíc stupňů. A je to vlastně docela osvěžující.

Diamant, který plave

„Stačí jedna dokonale sladěná krystalová mřížka a najednou už nic neroztaje tak, jak byste čekali.“

(ve stylu, volně inspirováno konceptem ledu-devět z románu Kolébka pro kočku, Kurt Vonnegut)

A teď to skutečně zajímavé. Za těchto extrémních tlaků je pevný diamant méně hustý než kapalný uhlík, ve který se mění. Přesně jako obyčejný led, který je méně hustý než tekutá voda, a proto místo klesnutí ke dnu plave na hladině rybníka. Kus pevného diamantu by tak teoreticky mohl plavat na jezeře roztaveného uhlíku. Jo, je to obraz jako z nějaké bizarní scifi, ale je to přímý důsledek naměřených dat.

Vonnegutovo fiktivní „ledu-devět“ bylo v knize děsivá věc – forma vody, která po kontaktu proměnila cokoliv tekutého v pevnou látku. Skutečná fyzika diamantu žádnou apokalypsu nechystá, ale sdílí s tím konceptem jednu podstatnou myšlenku. Uspořádání atomů dokáže převrátit naruby naše nejzákladnější intuice o tom, co je „normální“ chování hmoty. V určitém rozsahu tlaků totiž platí, že čím víc diamant stlačíte, tím nižší teplota stačí k jeho tání. Což je přesný opak toho, co by člověk čekal.

Proč na tom vůbec záleží?

Tohle celé by mohla být jen kuriozita pro fyziky pevných látek a možná otázka, za co se vlastně utrácí peníze na výzkum. Dávalo ba to smysl, kdyby diamant a uhlík za extrémních podmínek nehráli roli i jinde. Konkrétně hluboko uvnitř ledových obrů sluneční soustavy. Uran a Neptun mají podle teoretických modelů ve svých útrobách vrstvy, kde panují tlaky a teploty podobné těm, které Millotův tým reprodukoval v laboratoři.

Souvisí to i s jiným, dost populárním konceptem, takzvaným diamantovým deštěm. V experimentu z roku 2017, vedeném týmem okolo Dominika Krause, tehdy rovněž spjatého s LLNL, vystavili vědci polystyren (obyčejný plast na bázi uhlíku a vodíku) podobně extrémním rázovým vlnám a přímo pozorovali, jak se atomy uhlíku oddělují od vodíku a skládají do nanodiamantů. Šlo o první přímý experimentální důkaz teorie, že hluboko pod mraky Uranu a Neptunu doslova prší diamanty, které se pak propadají k jádru planety. „Když jsem uviděl výsledky tohoto experimentu, byl to jeden z nejlepších momentů mé vědecké kariéry,“ řekl tehdy Kraus (podle informací z tiskové zprávy Lawrence Livermore National Laboratory).

Rozostřená hranice a role na Zemi

Nový výzkum roztaveného diamantu tenhle obrázek doplňuje z druhé strany. Neukazuje totiž, jak uhlík diamant vytváří, ale jak se přesně chová, když se hranice pevné a kapalné fáze rozostří. Obě zjištění dohromady dávají planetárním vědcům přesnější nástroj, jak modelovat to, co se děje tisíce kilometrů pod tyrkysovým oparem Uranu, kam se žádná sonda od Voyageru 2 v roce 1986 nepodívala.

A pak je tu ještě mnohem pozemštější aplikace. Diamant se používá jako materiál pro terčíky v experimentech s inerciální jadernou fúzí, kde se palivové kapsle stlačují podobně brutálními tlaky. Přesnější model chování uhlíku při implozi terčíku by mohl zlepšit výpočty používané při návrhu fúzních experimentů na zařízení NIF.

Podle simulací s aktualizovaným modelem uhlíku by se předpovídaný energetický zisk fúzní reakce mohl až ztrojnásobit. „Naše práce naznačuje, že bychom mohli použít mírně pomalejší počáteční rázy a přesto dosáhnout úplného roztavení diamantu v našich NIF implozích,“ dodává Millot. Pomalejší ráz znamená stlačitelnější palivo, a to zase znamená vyšší možný energetický výtěžek při stejném množství laserové energie.

Tvrdohlavost, která má i výhody

Na celém příběhu je půvabná jedna vlastnost, kterou diamant sdílí s docela dost lidmi. Tedy nekompromisní odmítání dělat věci postupně. Diamant se buď drží své struktury, nebo se úplně vzdá a stane se kapalinou. Žádné polovičaté fáze, žádné „tak trochu se rozpadám, ale ještě to necítím“. A možná právě proto trvalo skoro dvacet let, než se vědcům podařilo přesně změřit, co se v tom zlomku sekundy vlastně odehrává.

Diamant nakonec zůstal přesně tím, čím vždycky byl. Materiálem, který dělá přesně to, co chce, a fyzikům nechá jen tu možnost přijít na to proč. Filmoví lupiči mu můžou klidně dál říkat „led“. Realita je zajímavější než metafora.

Zdroje: ScienceAlert, LLNL