La dureza eterna tiene un límite: así se derritió un diamante
El diamante es el mineral natural más duro del planeta, símbolo de eternidad y protagonista de una industria que mueve miles de millones de dólares al año. Pero incluso esta fama de invencibilidad tiene un límite. Un nuevo estudio publicado en Nature Physics logró observar por primera vez con detalle inédito el proceso de fusión del diamante bajo condiciones extremas, resolviendo un enigma que llevaba veinte años enfrentando a los físicos experimentales con las simulaciones teóricas.
El equipo liderado por el físico Marius Millot del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) comprimió diminutas muestras de diamante mediante ondas de choque generadas en las instalaciones láser OMEGA de la Universidad de Rochester. Las presiones alcanzadas fueron de entre 600 gigapascales y 1,8 terapascales, más de tres veces superiores a las del núcleo terrestre, y a temperaturas superiores a las de la superficie del Sol.
El misterio: un líquido que pesa más que el sólido
El origen de la controversia se remonta a los experimentos pioneros de Jon Eggert y sus colegas del LLNL, también en la década de 2000, que revelaron un comportamiento peculiar: bajo presiones extremas, el carbono líquido resultante de fundir el diamante es más denso que el propio diamante sólido, una analogía al hielo que flota sobre el agua. Ese hallazgo fue un hito, pero abrió más preguntas: las temperaturas de fusión medidas en el laboratorio no coincidían con las predicciones de las simulaciones cuánticas más avanzadas, con una diferencia de alrededor del 20%.
Además, otro enigma surgió en las simulaciones: la posible aparición de una fase cristalina llamada BC8 antes de que el diamante se fundiera. Este material hipotético sería aún más duro que el diamante y habría tenido implicancias para el diseño de materiales super duros. Hasta ahora, no había observación directa de su existencia en el proceso.
El experimento: láseres y una milmillonésima de segundo
Para resolver ambos problemas a la vez, el equipo de Millot utilizó láseres para vaporizar la capa exterior de las muestras de diamante, generando ondas de choque que las comprimieron hasta el rango de presión mencionado. El desafío fue medir lo que ocurría en un intervalo de tiempo de apenas una milmillonésima de segundo. En ese lapso tuvieron que capturar datos de difracción de rayos X, densidad, temperatura y reflectividad óptica.
La dificultad fue enorme, tal como explicó Millot a Science Alert: “el carbono es un átomo pequeño y ligero, que dispersa muy poca señal de rayos X”. A pesar de eso, la medición fue todo un éxito: las nuevas mediciones situaron la temperatura de fusión en torno a los 7.300 kelvin (casi 7.000 grados Celsius) a una presión cercana a un terapascal, más de 1.000 grados por debajo de la estimación experimental anterior y, esta vez, en plena sintonía con la teoría cuántica.
Nada de fase BC8: la sorpresa del átomo 'atrapado'
El segundo misterio fue resuelto con la misma contundencia: durante la compresión por un único choque, los experimentos no detectaron una fase BC8 significativa. Mientras los rayos X seguían detectando material cristalino, los átomos mantuvieron la estructura característica del diamante. Millot aclara el motivo: “la muestra no dispone del tiempo suficiente para reorganizarse y queda atrapada en la estructura del diamante”. Es decir, el proceso de fusión es tan rápido que no da tiempo a que se forme esa estructura intermedia.
Este hallazgo implica que la BC8 no parece ser un paso necesario en la fusión del diamante, al menos bajo las condiciones estudiadas, descartando una hipótesis que rondaba la física de altas presiones desde hacía años.
¿Por qué importa? Aplicaciones en fusión nuclear y planetas
Las implicaciones van más allá del laboratorio y del propio diamante. El primer campo de aplicación es la energía de fusión. En la Instalación Nacional de Ignición del LLNL (NIF), se utilizan pequeñas cápsulas de diamante para contener el combustible que los láseres comprimen en busca de la fusión nuclear. Hasta ahora, los ingenieros usaban un primer choque relativamente intenso para garantizar que el diamante se fundiera por completo.
Con el nuevo mapa de fusión, se podría utilizar un primer choque más lento sin impedir la fusión completa del diamante, lo que mantendría al combustible más compresible y podría resultar en una implosión final más densa. Los cálculos de los investigadores plantean que este ajuste podría triplicar la ganancia energética de los experimentos, siempre que se logren controlar otras fuentes de pérdida de rendimiento.
Por otro lado, los datos también ofrecen mejores referencias para los modelos sobre el interior de los gigantes helados Urano y Neptuno. Desde los años ochenta se especula con que, en las profundidades de estos planetas, el carbono podría cristalizarse en diamante y precipitar hacia el interior, en un proceso conocido como “lluvia de diamantes”. Aunque los experimentos alcanzaron presiones superiores a las previstas en el interior de esos planetas, los nuevos datos permiten afinar las simulaciones sobre bajo qué condiciones el diamante es estable o se funde.
Datos clave del hallazgo
- Publicación: Nature Physics
- Institución: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)
- Presiones: entre 600 GPa y 1,8 TPa
- Duración del evento: 1 milmillonésima de segundo
- Temperatura de fusión medida: 7.300 K (1.000 K menos que estimaciones anteriores)
- Fase BC8: no detectada en el experimento