Ein internationales wissenschaftliches Forschungsteam unter der Leitung des Center der University of Rostock und des Helmholtz-Dresden-Rosendorf Centers (HZDR) in Deutschland veröffentlichte einen großen Durchbruch in der kürzlich veröffentlichten Zeitschrift Nature Nature: Sie verwendeten das Hochleistungs-Laser-Dipol100-X auf dem europäischen X-Ray-freien Elektronen-Laser-Gerät (XFEL).
Flüssiger Kohlenstoff existiert tief in der Planeten und verfügt über wichtige Anwendungsaussichten in zukünftigen Technologien wie nuklearen Fusion. Aufgrund der extrem harten Forschungsbedingungen war das Verständnis der Wissenschaftler von flüssigem Kohlenstoff jedoch immer sehr begrenzt. Unter normalem Druck schmilzt der Kohlenstoff nicht, aber direkt in einen gasförmigen Zustand untermauert; Kohlenstoff verweigert sich nur bei etwa 4500 Grad Celsius und extrem hohen Drücken, aber herkömmliche experimentelle Behälter können solchen extremen Umgebungen einfach nicht standhalten.
Die Laserkomprimierungstechnologie kann in der Reihenfolge von Nanosekunden durch energiereiche Laser sofort festen Kohlenstoff verflüssigen, aber die Herausforderung besteht darin, wie die Messung in diesem flüchtigen flüssigen Zustand entfaltet werden kann. Zu diesem Zweck kombinierte das Forschungsteam geschickt drei hochmoderne Technologien: leistungsstarke Laserkomprimierungstechnologie, ultraschnelle Röntgenanalyse-Technologie und Röntgenerkennung von großem Bereich.
Während des Experiments trieb der durch den Dipol100-X-Laser erzeugte Puls-Generation die Kompressionswelle durch die feste Kohlenstoffprobe, wodurch das Material in kürzester Zeit verflüssigt wurde. In diesem flüchtigen flüssigen Moment bestrahlt der ultra-kurze Röntgenlaserimpuls, der vom XFEL-Gerät emittiert wird, die Probe genau. Durch die Analyse des Streumusters von Röntgenstrahlen, die durch Kohlenstoffatome emittiert wurden (ähnlich wie das durch Licht durch Gitter erzeugte Beugungsphänomen), analysierte das Forschungsteam erfolgreich die Atomanordnung von flüssigem Kohlenstoff.
Durch Anpassung der Verzögerungszeit des Röntgenimpulses oder der Änderung der Druck- und Temperaturbedingungen führte das Forschungsteam mehrere Experimente durch, wodurch eine große Menge an experimentellen Daten erzielt und unzählige Schnappschüsse zu einem Atomfilm kombiniert wurden. Die Messergebnisse zeigen, dass die Mikrostruktur von flüssigem Kohlenstoff der von festen Diamanten ähnlich ist und 4 nächste Nachbaratome um jedes Kohlenstoffatom sind.
Das Forschungsteam betonte, dass die neueste Forschung nicht nur das Geheimnis von flüssigem Kohlenstoff durch Experimente zum ersten Mal vorgestellt hat, sondern die Vorhersage theoretischer Simulationen, sondern auch den Schmelzpunktbereich von Kohlenstoff genau gemessen hat. Diese Schlüsseldaten sind sowohl für die interne Modellierung von Planeten als auch für die Forschung und Entwicklung der nuklearen Fusionstechnologie von großem Wert. Die neuesten Untersuchungen haben auch eine neue Ära der materiellen Forschung unter extremen Bedingungen eröffnet.