O carbono líquido pode ser encontrado, por exemplo, no interior de planetas e desempenha um papel importante nas tecnologias futuras, como a fusão nuclear. No entanto, até agora, muito pouco se sabia sobre o carbono em sua forma líquida, já que, neste estado, era praticamente impossível estudá-lo em laboratório: sob pressão normal, o carbono não derrete, mas muda imediatamente para o estado gasoso. Somente sob pressão extrema e a temperaturas de aproximadamente 4.500 graus Celsius – o ponto de fusão mais alto de qualquer material – é que o carbono se torna líquido. Nenhum recipiente suportaria isso.

A compressão a laser, por outro lado, pode transformar o carbono sólido em líquido por frações de segundo. E o desafio era utilizar essas frações de segundo para realizar medições. De uma maneira anteriormente inimaginável, isso agora se tornou realidade no European XFEL, o maior laser de raios X do mundo, com seus pulsos ultracurtos, em Schenefeld, perto de Hamburgo.

Tecnologia de medição única nesta combinação

A combinação única do European XFEL com o laser de alta performance DIPOLE100-X foi crucial para o sucesso do experimento. Desenvolvido pelo British Science and Technology Facilities Council, ele foi disponibilizado a cientistas de todo o mundo pelo HIBEF User Consortium (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields). Uma comunidade de instituições de pesquisa internacionais de ponta na estação experimental HED-HIBEF (High Energy Density) no European XFEL agora combinou pela primeira vez a compressão a laser poderosa com a análise de raios X ultrarrápida e detectores de raios X de grande área.

No experimento, os pulsos de alta energia do laser DIPOLE100-X geram ondas de compressão através de uma amostra de carbono sólido e liquefazem o material por nanosegundos, ou seja, por um bilionésimo de segundo. Durante este nanosegundo, a amostra é irradiada com o flash de raio X ultracurtos do European XFEL. Os átomos de carbono espalham a luz de raios X – de maneira semelhante a como a luz é difratada por uma grade. O padrão de difração permite inferências sobre a disposição atual dos átomos no carbono líquido.

Todo o experimento dura apenas alguns segundos, mas é repetido várias vezes: cada vez com um pulso de raios X um pouco atrasado ou sob condições ligeiramente diferentes de pressão e temperatura. Muitas imagens combinam-se para formar um filme. Os pesquisadores conseguiram, assim, traçar a transição da fase sólida para a líquida passo a passo.

Estrutura semelhante à da água e ponto de fusão determinado com precisão

As medições revelaram que, com quatro vizinhos mais próximos, a sistemática do carbono líquido é semelhante à do diamante sólido. “Esta é a primeira vez que conseguimos observar experimentalmente a estrutura do carbono líquido. Nosso experimento confirma as previsões feitas por simulações sofisticadas do carbono líquido. Estamos observando uma forma complexa de líquido, comparável à água, que possui propriedades estruturais muito especiais”, explica o chefe do Grupo de Trabalho de Carbono da colaboração de pesquisa, Prof. Dominik Kraus, da Universidade de Rostock e HZDR.

Os pesquisadores também conseguiram restringir com precisão o ponto de fusão. Até agora, as previsões teóricas sobre a estrutura e o ponto de fusão divergiam significativamente. No entanto, o conhecimento preciso é crucial para a modelagem de planetas e certos conceitos para geração de energia por meio da fusão nuclear.

O primeiro experimento DIPOLE no European XFEL também marca o início de uma nova era na medição de matéria sob alta pressão, como enfatiza o líder do grupo HED, Dr. Ulf Zastrau, “Agora temos as ferramentas para caracterizar a matéria sob condições exotéricas altamente detalhadas.” E o potencial do experimento está longe de ser esgotado. No futuro, resultados que atualmente levam várias horas de tempo de experimento poderiam estar disponíveis em poucos segundos – assim que o complexo controle automático e o processamento de dados trabalharem rapidamente o suficiente.