Физики использовали синхротронное излучение, чтобы расплавить стеклоуглерод и провести его рентгеноструктурный анализ. Они установили, что в жидком состоянии каждый атом углерода окружен в среднем четырьмя другими атомами, что соответствовало результатам расчетов. Исследование опубликовано в журнале Nature.
При атмосферном давлении углерод не бывает жидким, а при нагревании переходит из твердого состояния сразу в газообразное, то есть возгоняется. Но известно, что жидкий углерод можно получить при давлениях около нескольких мегапаскалей и температуре в несколько тысяч кельвинов, что технологически очень трудно. Из-за этого свойства и строение жидкого углерода практически не изучены.
Но недавно группа физиков, химиков и кристаллографов под руководством Доминика Крауса (Dominik Kraus) из Ростокского университета использовали для этой цели Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL), разработанный центром DESY. В нем ускоренные электроны генерируют мощное рентгеновское излучение. Оно необходимо для изучения структуры веществ, состоящих из легких атомов, которые плохо рассеивают рентгеновское излучение.
Чтобы изучить структуру жидкого углерода, ученые загрузили в установку образец стеклоуглерода, а затем облучали его двумя лазерами. Один из них — твердотельный лазер с диодной накачкой DiPOLE 100X — генерировал наносекундные импульсы зеленого света, которые нагревали образец и генерировали ударную волну — за счет нее давление внутри образца резко поднималось. Второй лазер — рентгеновский лазер на свободных электронах — генерировал фемтосекундные рентгеновские импульсы, а два детектора фиксировали рассеянное излучение.
Изначально при нагревании и повышении давления стеклоуглерод превращался в алмаз, а затем начинал плавиться. При давлении в 160 гигапаскалей и температуре около 7300 кельвин ученые получили полностью расплавленный образец углерода. Из его дифракционной картины авторы исследования рассчитали структурные факторы и функцию радиального распределения. Выяснилось, что в жидком углероде, как и в алмазе, каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями.
Так ученые смогли расплавить углерод и изучить его структуру. Полученные данные хорошо согласуются с проведенными ранее квантово-химическими расчетами, которые предсказывают такое же координационное число углерода в жидком состоянии. Также благодаря проведенным экспериментам исследователи уточнили фазовую диаграмму алмаза.