Científicos logran comprimir diamantes a presiones extremas y resuelven un misterio de 20 años

El diamante es conocido por su belleza, pero su valor va más allá de la joyería. Este material, excepcionalmente duro, se utiliza para fabricar cápsulas diminutas que contienen combustible en experimentos de fusión inercial. Además, los científicos creen que los diamantes podrían formarse y caer como lluvia en las profundidades de planetas gigantes de hielo como Neptuno y Urano.

En ambos entornos, los diamantes están sometidos a presiones inmensas. Sin embargo, los investigadores han enfrentado dificultades durante años para determinar cómo responde el material bajo estas condiciones extremas, ya que las mediciones de laboratorio y las simulaciones por computadora han producido resultados contradictorios.

Un nuevo estudio publicado en Nature Physics podría finalmente resolver este dilema. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) midieron cómo se funde el diamante a presiones tres veces superiores a las que se encuentran en el núcleo terrestre.

"Pudimos tomar pequeñas muestras de diamante y comprimirlas con un choque a temperaturas más altas que la superficie del sol y a presiones superiores a las del centro de Neptuno y Urano, y aún así medir la estructura atómica, temperatura, densidad y reflectividad óptica", expresó Marius Millot, autor del estudio y científico del LLNL.

Los resultados resuelven dos discrepancias de larga data en la investigación sobre el diamante y alinean las mediciones experimentales con las simulaciones basadas en mecánica cuántica. Estos hallazgos también podrían tener importantes consecuencias prácticas. Aplicar estos resultados a la fusión inercial podría permitir a los investigadores triplicar la ganancia de energía, mientras que una comprensión más clara del comportamiento del diamante a alta presión podría mejorar los modelos de los interiores planetarios.

Un misterio de fusión de diamantes de 20 años

Los investigadores del LLNL han estudiado el diamante en condiciones extremas durante décadas. Hace aproximadamente 20 años, el científico de laboratorio Jon Eggert y sus colegas realizaron experimentos pioneros sobre la fusión del diamante a alta presión. Su trabajo produjo una observación inusual: el diamante se volvió más denso al fundirse.

"Aunque esto es bastante inusual entre la mayoría de los materiales, todos conocemos un ejemplo de tal comportamiento", indicó Millot. "El agua líquida es más densa que el hielo, lo que hace que los cubitos de hielo floten. El hallazgo de Jon significa que el diamante flotaría en el carbono líquido a altas presiones".

Aunque los experimentos marcaron un avance importante, también generaron un gran rompecabezas. Las temperaturas de fusión medidas en el laboratorio diferían en aproximadamente un 20% de las temperaturas predichas por los modelos teóricos.

"No importaba lo que hicieran los teóricos, incluso con las técnicas de simulación por computadora más avanzadas, no podían reproducir los experimentos", comentó Millot.

Otra pregunta sin respuesta surgió de los experimentos en Sandia National Laboratories. Allí, los investigadores utilizaron los potentes campos magnéticos de la máquina Z para comprimir por choque pequeñas muestras de diamante. Sus mediciones produjeron señales que sugerían que el diamante podría pasar por otra estructura cristalina antes de fundirse completamente en carbono líquido.

Las simulaciones por computadora apoyaron esa interpretación. Sin embargo, los investigadores no habían podido observar directamente la estructura atómica del material comprimido, dejando la fase intermedia propuesta sin confirmar.

Los láseres revelan qué sucede cuando el diamante se funde

Para investigar ambos misterios, el equipo del LLNL realizó experimentos de compresión dinámica impulsados por láser en el Laboratorio de Energéticos por Láser de la Universidad de Rochester. En el Omega Laser Facility, los investigadores utilizaron energía láser intensa para vaporizar la capa exterior de una pequeña muestra. Ese proceso lanzó una poderosa onda de choque a través del diamante.

Obtener mediciones precisas fue especialmente difícil porque las condiciones de presión extrema duraron solo alrededor de una milmillonésima de segundo. Durante ese breve intervalo, los investigadores debieron registrar varias propiedades del material, incluidas mediciones de difracción de rayos X capaces de revelar su disposición atómica.

"Esta fue la primera vez que se examinó un diamante comprimido por choque con difracción de rayos X hasta el punto de fusión", afirmó Millot. "Estas mediciones son extremadamente difíciles porque el carbono es un átomo pequeño y ligero. Dispersa muy pocos rayos X, por lo que la señal que necesitábamos medir era bastante tenue".

Los investigadores en el LLE ayudaron a desarrollar y mantener el equipo de diagnóstico mejorado que hizo posibles esas mediciones. Utilizando las nuevas herramientas, el equipo obtuvo una temperatura de fusión actualizada que coincidía casi perfectamente con las simulaciones por computadora, resolviendo un desacuerdo que había persistido durante aproximadamente dos décadas.

"Si bien fue frustrante descubrir que nuestras mediciones de temperatura originales estaban equivocadas por más de 1,000 grados, es emocionante ver una mejora tan dramática en la calidad de los datos con nuestros nuevos diagnósticos", comentó Eggert. "Aún mejor, nuestra inferencia original de fusión ahora se ha confirmado directamente con difracción de rayos X".

El diamante se mantiene como diamante hasta que se funde

Los experimentos resolvieron la discrepancia de temperatura de fusión, pero produjeron una respuesta diferente a la pregunta planteada por los resultados de Sandia.

En lugar de transformarse en otra fase cristalina antes de fundirse, el carbono mantuvo su estructura de diamante hasta el estado líquido. No apareció ninguna fase intermedia durante el experimento.

"Creemos que eso se debe a que la muestra no tiene tiempo para cambiar cuando solo experimenta un único choque. Permanece 'atrapada' en la estructura de diamante", explicó Millot.

Esa distinción podría ser relevante para futuros experimentos y simulaciones que involucren materiales a densidades de energía extremadamente altas. Los resultados sugieren que la forma en que se entrega un choque puede influir en cómo responde un material. La presión y la temperatura por sí solas pueden no determinar qué estructura adopta el material.

La física del diamante podría mejorar la energía de fusión

El nuevo acuerdo entre teoría y experimento tiene relevancia inmediata para la investigación en fusión inercial. En estos experimentos, potentes láseres crean ondas de choque que obligan a una pequeña cápsula de diamante a implosionar. La cápsula en colapso comprime el combustible de fusión a las extraordinarias presiones y temperaturas requeridas para las reacciones de fusión.

Un objetivo importante durante el choque inicial es fundir el diamante en un fluido suave y uniforme. Las irregularidades en la implosión pueden interferir con el proceso de compresión y debilitar la reacción de fusión resultante.

Para asegurar que la cápsula de diamante se funda por completo, los científicos en el National Ignition Facility (NIF) del LLNL suelen usar un choque inicial relativamente fuerte.

Las nuevas mediciones indican que este primer choque podría no necesitar ser tan fuerte como se pensaba anteriormente. "Nuestro trabajo indica que podríamos utilizar choques iniciales ligeramente más lentos y aún lograr la fusión completa del diamante en nuestras implosiones del NIF", dijo Millot. "Esto es emocionante porque un choque más lento haría que el combustible de fusión fuera más compresible. Eso, a su vez, aumenta el rendimiento energético máximo que podríamos obtener con la misma energía láser".

Los modelos predicen que el uso de estos choques más lentos podría potencialmente triplicar la ganancia de energía de fusión, siempre que los investigadores puedan controlar otros procesos que reduzcan el rendimiento.

Nuevas pistas sobre la lluvia de diamantes en los gigantes de hielo

Los hallazgos también podrían ayudar a los científicos a comprender lo que ocurre en el interior de Neptuno y Urano. Los investigadores no pueden observar directamente los interiores de estos gigantes de hielo, por lo que dependen en gran medida de experimentos de laboratorio y modelos por computadora para reconstruir las condiciones extremas bajo sus superficies.

Algunos estudios sugieren que el carbono podría cristalizarse en diamantes en las profundidades de estos planetas. Esos diamantes podrían luego hundirse a través del interior, creando lo que los científicos describen como "lluvia de diamantes".

Dado que los nuevos experimentos examinaron el diamante a presiones incluso mayores que las esperadas dentro de los gigantes de hielo, las mediciones de fusión mejoradas brindan a los científicos planetarios una base más sólida para modelar cómo se formaron Neptuno y Urano y cómo han evolucionado sus interiores.

Explorando el diamante en condiciones aún más extremas

El equipo del LLNL ahora planea utilizar las capacidades experimentales del NIF para explorar el diamante en condiciones que son aún más difíciles de reproducir. El trabajo futuro examinará cómo se comportan las cápsulas de diamante durante las etapas posteriores de una implosión de fusión e investigará cuánto tiempo puede permanecer estable la estructura cristalina del diamante cuando el material se somete a una secuencia de múltiples ondas de choque.

Otros autores del LLNL incluyen a Federica Coppari, Amy Lazicki, Yong-Jae Kim, Otto Landen, Vladimir Smalyuk y Peter Celliers. La especialista en fabricación de objetivos del LLNL, Renee Posadas, y Eric Folsom en el HED Science Center Technology Facility también contribuyeron al trabajo. Este estudio fue apoyado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido del Laboratorio LLNL.

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