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Rätsel um schmelzenden Diamant gelöst
Diamant hält unter extremem Druck länger an seiner Kristallstruktur fest als bisher angenommen. Neue Stoßexperimente zeigen, dass er bis nahe an ein Terapascal kristallin bleibt und erst bei etwa 7.300 Kelvin schmilzt. Die Messungen schließen eine rund 20 Jahre alte Lücke zwischen Experiment und Theorie und könnten präzisere Modelle für Laserfusion und Eisriesen ermöglichen.
Livermore (U.S.A.). Diamant spielt unter Extrembedingungen in zwei sehr unterschiedlichen Forschungsfeldern eine wichtige Rolle, denn in Kapseln für die Trägheitsfusion umschließt er den Brennstoff, während in Uranus und Neptun tief im Inneren Kohlenstoff als Diamant auskristallisieren und absinken könnte. Wie der Stoff unter enormem Druck schmilzt, war bislang jedoch widersprüchlich beschrieben.
Experimente vor rund 20 Jahren hatten gezeigt, dass flüssiger Kohlenstoff bei solchen Bedingungen dichter sein kann als fester Diamant, zugleich unterschieden sich gemessene und theoretisch vorhergesagte Schmelztemperaturen um etwa 20 Prozent. Spätere Stoßversuche lieferten zudem Hinweise auf eine mögliche Zwischenphase namens BC8, deren atomare Struktur aber nicht direkt beobachtet worden war.
Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) um Marius Millot haben Diamant deshalb erneut bis in den Terapascalbereich komprimiert, wobei ein Terapascal einer Billion Pascal entspricht. Für die Versuche an der Omega Laser Facility des Laboratory for Laser Energetics erzeugte das Team in winzigen Diamantproben Stoßwellen, die nur rund eine Nanosekunde lang extreme Zustände aufrechterhielten.
Um den Übergang zum flüssigen Kohlenstoff direkt zu verfolgen, kombinierten die Forscher Geschwindigkeitsmessungen, Pyrometrie zur Temperaturbestimmung und Röntgenbeugung, die die atomare Ordnung des Materials sichtbar macht. So konnten sie Druck, Temperatur, optische Eigenschaften und Kristallstruktur während derselben kurzen Kompression erfassen.
„Dies war das erste Mal, dass stoßkomprimierter Diamant mit Röntgenbeugung bis zum Schmelzen untersucht wurde. Diese Messungen sind extrem schwierig, weil Kohlenstoff ein kleines und leichtes Atom ist. Es streut nur sehr wenige Röntgenstrahlen, deshalb war das Signal, das wir messen mussten, ziemlich schwach“, sagt Marius Millot.
Solange die geschockte Probe ein auswertbares Beugungssignal lieferte, entsprach es der kubischen Diamantstruktur, doch bei 1.210 Gigapascal waren keine Beugungslinien der geschockten Probe mehr zu erkennen. Zusammen mit Veränderungen von Temperatur und Reflexionsvermögen wertet das Team dies als starken Hinweis auf das Schmelzen, während eine BC8-Zwischenphase bei der einfachen Stoßkompression nicht beobachtet wurde.
Die neuen Daten verorten den Schmelzübergang nahe 7.300 Kelvin, wobei die Schmelztemperatur in diesem Druckbereich laut der Studie mit steigendem Druck leicht abnimmt. Vor allem stimmt die neue Messung deutlich besser mit quantenmechanischen Simulationen überein und beseitigt damit die bisherige Abweichung zwischen Experiment und Theorie.
„Es war zwar frustrierend festzustellen, dass unsere ursprünglichen Temperaturmessungen um mehr als 1.000 Grad danebenlagen, aber es ist spannend, eine so dramatische Verbesserung der Datenqualität mit unseren neuen Diagnoseverfahren zu sehen. Noch besser ist, dass unsere ursprüngliche Schlussfolgerung zum Schmelzen nun direkt durch Röntgenbeugung bestätigt wurde“, sagt Jon H. Eggert vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).
Dass die erwartete BC8-Struktur ausblieb, widerspricht nicht zwingend ihrer theoretischen Stabilität bei sehr hohem Druck. Nach der Interpretation des Teams könnte die extrem kurze Belastung entscheidend sein, weil bei einem einzelnen Stoß offenbar zu wenig Zeit für die Umordnung des Kristallgitters bleibt, bevor der Diamant schmilzt. Das Verhalten hängt damit möglicherweise auch vom zeitlichen Verlauf der Kompression ab.