Observación pionera de la estructura del carbono líquido
FÍSICA.
Hasta ahora, se sabía muy poco sobre el carbono en su forma líquida, ya que en ese estado era prácticamente imposible estudiarlo en el laboratorio.
A presión ambiente, el carbono no se funde, sino que pasa inmediatamente al estado gaseoso, y solo a elevadas presiones y temperaturas el carbono se vuelve líquido.
Experimento pionero en el XFEL europeo: medición de la estructura del carbono líquido. Ilustración: Martin Kuensting / Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
El carbono líquido podría existir en el interior de planetas gigantes y también despierta un gran interés por desempeñar un papel importante en el desarrollo de tecnologías futuras de fusión nuclear, una fuente de energía básicamente limpia y casi ilimitada.
Un equipo internacional, encabezado por Dominik Kraus, de la Universidad de Rostock en Alemania, y con participación de la Universidad de Valencia (UV) en España, ha conseguido estudiar, utilizando el láser de rayos X más potente del mundo, la estructura del carbono en su estado líquido. Se trata de un logro sin precedentes que no solo facilitará la comprensión de determinados procesos en planetas gigantes sino que servirá además para mejorar las tecnologías futuras de fusión nuclear.
Ya se sabía que la compresión láser es capaz de convertir el carbono sólido en líquido en fracciones de segundo. El problema era el escaso tiempo disponible para realizar las observaciones. “El reto era utilizar estas fracciones de segundo para realizar mediciones y, de una forma antes inimaginable, esto se ha hecho realidad utilizando el DIPOLE 100-X, un láser de alta energía que permite crear condiciones con presiones de hasta 10.000 toneladas por centímetro cuadrado y temperaturas superiores a 10.000 grados en muy poco tiempo”, comenta Daniel Errandonea, catedrático de física aplicada, investigador del Instituto de Ciencia de los Materiales (ICMUV) de la Universidad de Valencia y coautor del nuevo estudio.
Gracias a las capacidades del DIPOLE 100-X, instalado en el láser de electrones libres de rayos X europeo (EuXFEL), el equipo de investigación ha combinado por primera vez la potente compresión láser con el análisis ultrarrápido de rayos X y detectores de rayos X de gran área.
En el experimento, los pulsos de alta energía del láser crean ondas de compresión a través de una muestra sólida de carbono y licúan el material durante una milmillonésima de segundo. Durante este breve periodo, la muestra se irradia con los rayos X del EuXFEL, y los átomos de carbono dispersan la luz de rayos X de forma similar a como la luz se difracta en una rejilla. De este modo, el patrón de difracción creado permite extraer información valiosa sobre la distribución de los átomos en el carbono líquido, la forma en que se organizan y las interacciones entre ellos.
Los resultados revelan que la estructura del carbono líquido es similar a la del diamante sólido, en la que cada átomo de carbono está rodeado de otros cuatro átomos de carbono. Tal disposición de los átomos de carbono es adoptada también en una amplia gama de compuestos orgánicos y es fundamental para la estructura de numerosos materiales. También permiten determinar el punto de fusión, una información fundamental para su uso en ambientes donde la temperatura es un factor crítico, como los reactores de fusión nuclear. “Hasta ahora, las predicciones teóricas sobre la estructura del carbono líquido y el punto de fusión habían divergido significativamente. Su conocimiento preciso es crucial para la modelización planetaria y el diseño de mejores materiales para la generación de energía mediante fusión nuclear”, concluye el profesor titular de física aplicada David Santamaría-Pérez, miembro del equipo del ICMUV, coautor también del estudio.
El estudio es una colaboración internacional liderada por investigadores de la Universidad de Rostock y el Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR) en Alemania. Además del Instituto de Ciencia de los Materiales de la Universidad de Valencia, han colaborado en el estudio las universidades de Edimburgo y Oxford en el Reino Unido, los laboratorios nacionales de Los Álamos y Livermore en Estados Unidos, la Universidad de la Sorbona en Francia, el Instituto Paul Scherrer en Suiza, y otras 35 instituciones científicas de Europa, Estados Unidos y Asia.
El estudio se titula “The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction”. Y se ha publicado en la revista académica Nature. (Fuente: Universitat de València)
Sitio Fuente: NCYT de Amazings