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Il diamante fonde a temperature più basse: cosa cambia per l'energia?
Un gruppo di ricercatori, tra cui scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory, ha misurato la fusione del diamante a pressioni estreme, trovando temperature inferiori rispetto alle precedenti misure sperimentali e più vicine alle previsioni teoriche. Lo studio, pubblicato su Nature Physics, fornisce dati sul comportamento di un materiale utilizzato nelle capsule che racchiudono il combustibile di alcuni esperimenti di fusione nucleare: il modo in cui questi involucri rispondono alla compressione entra direttamente nei modelli degli esperimenti.
Il problema era aperto da circa vent’anni. Le misure precedenti e i modelli teorici presentavano uno scarto di circa il 20% nella temperatura di fusione, equivalente a oltre 1.200 gradi Celsius. Verificare quale descrizione fosse più accurata richiedeva di osservare il materiale in condizioni difficilissime da riprodurre e misurare in laboratorio. Non si tratta, infatti, di assegnare al diamante un unico punto di fusione valido ovunque: la transizione dipende anche dalla pressione alla quale viene sottoposto.
Per affrontare questa discrepanza, il gruppo ha colpito minuscole piastre di diamante sintetico con un laser ultravioletto. Le onde d’urto generate nel campione lo hanno compresso e riscaldato, facendolo passare da trasparente a fortemente riflettente. L’aumento della riflettività è uno degli indizi della fusione. Combinando questo segnale con le misure della radiazione luminosa emessa dal materiale caldo, i ricercatori hanno ricostruito le temperature della transizione.
Il gruppo ha inoltre impiegato la diffrazione a raggi X per seguire la struttura atomica del campione. Nelle condizioni osservate, il diamante non si è trasformato in un’altra struttura solida del carbonio prima di diventare liquido. Secondo i ricercatori, una possibile spiegazione è che la riorganizzazione degli atomi richieda di superare una barriera energetica troppo elevata durante l’esperimento.
Tra circa 660 e 1.060 gigapascal, a una temperatura intorno a 6.727 °C, le misure indicano una regione in cui diamante solido e carbonio liquido coesistono. All’aumentare della pressione cresce la frazione liquida. In queste condizioni, il liquido presenta proprietà metalliche, conduce elettricità ed è più denso del diamante: frammenti del solido potrebbero quindi galleggiarvi. Questi dati aiutano anche a descrivere il comportamento del carbonio nelle condizioni estreme associate agli interni dei pianeti giganti.
Il collegamento con l’energia riguarda gli esperimenti di confinamento inerziale, nei quali impulsi laser comprimono capsule contenenti deuterio e trizio, due isotopi dell’idrogeno. In alcune configurazioni l’involucro è di diamante e viene sottoposto a riscaldamento e compressione per portare il combustibile verso temperature superiori a 100 milioni di gradi Celsius. Una descrizione più accurata della fusione dell’involucro permette di perfezionare i calcoli della sua risposta durante questo processo.
Lo studio suggerisce infine che una sequenza di urti multipli potrebbe consentire al carbonio di raggiungere una struttura solida diversa prima della liquefazione. È un’ipotesi, non una trasformazione osservata in queste misure. La sequenza con cui vengono applicati gli urti diventa così una variabile da esplorare per capire quali cambiamenti strutturali possano verificarsi durante la compressione delle capsule.
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