Il diamante, così resistente, ha un limite: ecco come si scioglie
Il diamante è il minerale naturale più duro del pianeta, simbolo di eternità e protagonista di un'industria che muove miliardi di dollari l'anno. Ma anche questa fama di invincibilità ha un limite. Un nuovo studio pubblicato su Nature Physics ha osservato per la prima volta con dettaglio senza precedenti il processo di fusione del diamante in condizioni estreme, risolvendo un enigma che per vent'anni ha contrapposto i fisici sperimentali alle simulazioni teoriche.
Il team, guidato dal fisico Marius Millot del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), ha compresso minuscoli campioni di diamante con onde d'urto generate dagli impianti laser OMEGA dell'Università di Rochester. Le pressioni raggiunte sono state tra 600 gigapascal e 1,8 terapascal, oltre tre volte superiori a quelle del nucleo terrestre, a temperature superiori a quelle della superficie del Sole.
Il mistero: un liquido più denso del solido
L'origine della controversia risale ai esperimenti pionieri di Jon Eggert e colleghi del LLNL, sempre negli anni 2000, che avevano rivelato un comportamento particolare: a pressioni estreme, il carbonio liquido che si ottiene fondendo il diamante è più denso del diamante solido, un'analogia al ghiaccio che galleggia sull'acqua. Questo risultato fu una pietra miliare, ma aprì più domande: le temperature di fusione misurate in laboratorio non coincidevano con le previsioni delle simulazioni quantistiche più avanzate, con una differenza di circa il 20%.
Inoltre, un altro enigma emerso dalle simulazioni riguardava la possibile comparsa di una fase cristallina chiamata BC8 prima che il diamante si fondesse. Questo materiale ipotetico sarebbe ancora più duro del diamante e avrebbe implicazioni per il design di materiali superduri. Fino ad ora, non c'era osservazione diretta della sua esistenza nel processo.
L'esperimento: laser e un millesimo di milionesimo di secondo
Per risolvere entrambi i problemi contemporaneamente, il gruppo di Millot ha utilizzato laser per vaporizzare lo strato esterno dei campioni di diamante, generando onde d'urto che li comprimono fino al suddetto intervallo di pressione. La sfida era misurare ciò che accade in un intervallo di tempo di soli un millesimo di miliardesimo di secondo (un nanosecondo, ndr). In questo lasso di tempo hanno dovuto catturare dati di diffrazione dei raggi X, densità, temperatura e riflettività ottica.
La difficoltà è stata enorme, come spiegato da Millard a Science Alert: “il carbonio è un atomo piccolo e leggero, che disperde pochissima segnale di raggi X”. Nonostante ciò, la misurazione è riuscita pienamente: le nuove misurazioni hanno portato la temperatura di fusione a circa 7.300 kelvin (quasi 7.000 gradi Celsius) a una pressione vicina a un terapascal, più di 1.000 gradi al di sotto della stima sperimentale precedente e, questa volta, in piena sintonia con la teoria quantistica.
Niente fase BC8: la sorpresa dell'atomo 'intrappolato'
Il secondo mistero è stato risolto con la stessa evidenza: durante la compressione con un singolo urto, gli esperimenti non hanno rilevato una fase BC8 significativa. Mentre i raggi X continuavano a rilevare materiale cristallino, gli atomi mantenevano la struttura caratteristica del diamante. Millard chiarisce il motivo: “il campione non ha il tempo sufficiente per riorganizzarsi e rimane intrappolato nella struttura del diamante”. Cioè, il processo di fusione è così rapido che non lascia il tempo per formare quella struttura intermedia.
Questa scoperta implica che la BC8 non sembra essere un passaggio necessario per la fusione del diamante, almeno nelle condizioni studiate, scartando un'ipotesi che circolava nella fisica delle alte pressioni da anni.
Perché è importante: applicazioni per la fusione nucleare e i pianeti
Le implicazioni vanno oltre il laboratorio e oltre il diamante stesso. Il primo campo di applicazione è l'energia di fusione. Alla National Ignition Facility (NIF) del LLNL, vengono usate piccole capsule di diamante per contenere il combustibile che i laser comprimono per cercare di ottenere la fusione nucleare. Fino ad ora, gli ingegneri usavano un primo urto relativamente intenso per garantire che il diamante si fonda completamente.
Con la nuova mappa di fusione, si potrebbe usare un primo urto più lento senza impedire la fusione completa del diamante, mantenendo il combustibile più comprimibile e portando a un'implosione finale più densa. I calcoli dei ricercatori indicano che questo aggiustamento potrebbe triplicare il guadagno energetico degli esperimenti, purché si riescano a controllare le altre fonti di perdita di prestazione.
Dall'altro lato, i dati offrono anche migliori riferimenti per i modelli dell'interno dei giganti ghiacciati Urano e Nettuno. Dagli anni '80 si specula che, nelle profondità di questi pianeti, il carbonio potrebbe cristallizzarsi in diamante e precipitare verso l'interno, in un processo noto come “pioggia di diamanti”. Sebbene gli esperimenti abbiano raggiunto pressioni superiori a quelle previste all'interno di questi pianeti, i nuovi dati consentono di perfezionare le simulazioni su in quali condizioni il diamante è stabile o si fonde.
Dati chiave della scoperta
- Pubblicazione: Nature Physics
- Istituzione: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)
- Pressioni: tra 600 GPa e 1,8 TPa
- Durata dell'evento: un millesimo di miliardesimo di secondo
- Temperatura di fusione misurata: 7.300 K (1.000 K in meno rispetto alle stime precedenti)
- Fase BC8: non rilevata nell'esperimento