Van gewone roet tot kostbare diamanten, koolstof is in vele gedaanten bekend, maar er zijn weinig meer dan glimpen van koolstof in vloeibare vorm. Onderzoekers van de FERMI Free Electron Laser (FEL)-bron hebben nu niet alleen een vloeibaar koolstofmonster gegenereerd, maar hebben de structuur ervan gekenmerkt, het volgen van de ultrasnelle herschikkingen van elektronenbinding en atomaire coördinaten die plaatsvinden als hun koolstofmonsters smelten. "Voor zover ik weet, dat is de snelste structurele overgang in gecondenseerde materie, " zegt Emiliano Principi, hoofdonderzoeker van het project.

Het werk vult enkele gaten in het fasediagram van het element op - een plot van de fasen bij verschillende temperaturen en drukken. Ondanks de alomtegenwoordigheid van koolstof en de interesse die het verkrijgt in zoveel facetten van de wetenschap - van sensoren en zonnecellen tot kwantumcomputers en systemen voor de bescherming van ruimteraketten - blijft de kennis van het fasediagram fragmentarisch. Typisch, zodra vaste koolstof de hitte niet aankan, het sublimeert tot gas. Voor andere materialen, onderzoekers kunnen hogedrukcellen opnemen om te voorkomen dat het monster bij hoge temperaturen rechtstreeks in een gas uitzet, maar dit zijn meestal diamanten, precies het element dat de omstandigheden zijn ontworpen om te smelten.

In plaats daarvan, Principe, Claudio Masciovecchio en hun team gebruikten het FERMI femtoseconde pompsondesysteem om een ​​hoge energiebelasting van de pomplaser af te zetten in een amorf koolstofmonster en vervolgens de röntgenabsorptiespectra door het monster te meten, slechts honderden femtoseconden daarna met een sondelaser FEL-puls. Hoewel er eerdere onderzoeken zijn geweest naar vloeibare koolstof die met lasers werd verwarmd, dit is de eerste die laserpulsen gebruikt met een golflengte en tijdresolutie die kort genoeg zijn om de structuur van het monster te onderscheiden op de tijdschaal van de systeemdynamiek.

uitgestoken

Wat de onderzoekers zagen, was een opvallende verandering in binding en de atomaire rangschikking. Amorfe koolstof wordt gedomineerd door het soort elektronische binding gevonden in grafiet en grafeen beschreven als sp ² , waarbij elk koolstofatoom zich aan drie andere bindt, vormen vlakken van sterk op elkaar inwerkende koolstofatomen. Toen de laser het monster raakte, echter, deze binding veranderd in sp ¹ , waar elke koolstof is gebonden aan slechts twee andere, het vormen van strengen koolstofatomen. "Dit is naar mijn mening echt fascinerend, " zegt Principi, terwijl hij uitlegt dat op dat moment, er is geen tijd voor thermalisatie door middel van fononen, dus de aanpassing van atomaire rangschikkingen van vlakken naar snaren volgt onmiddellijk uit de veranderingen in elektrostatische potentiaal van de gewijzigde binding. "We hebben nog nooit zo'n ultrasnelle overgang gezien, " voegt Masciovecchio toe, hoofd van de wetenschappelijke programma's van FERMI.

De experimenten worden aangevuld met een reeks ab initio-berekeningen van de systeemdynamiek door medewerkers Martin Garcia en Sergej Krylow van de Universität Kassel in Duitsland. Ze vonden een uitstekende overeenkomst tussen de berekeningen en experimenten, dat is "zeer zeldzaam, " zoals Principi opmerkt, "vooral in deze klasse van experimenten." Met dit theoretische werk waren ze in staat om de temperatuur te bepalen die door het proces werd bereikt (maar liefst 14, 200 K) en de interactiesterkte tussen de elektronen en fononen in het aangeslagen koolstofsysteem-17×10 ¹⁸ Wm ⁻³ K ⁻¹ . Deze parameter die de elektron-fononinteractiesterkte in materialen kwantificeert, is notoir moeilijk vast te stellen en kan waardevol zijn voor toekomstige simulaties.

Kort en zoet

De kernelektronen in koolstof absorberen bij een golflengte van 4 nm, dat is de reden waarom eerdere experimenten met tafelbladlasers die op zichtbare golflengten werken, alleen de gereflecteerde intensiteit hebben kunnen meten. Omdat de experimenten een plasma genereren, die een golf van reflectie veroorzaakt, het monster blijft in wezen ondoorzichtig voor deze metingen. De FERMI FEL kan laserpulsen gebruiken bij 4 nm, zo konden de onderzoekers de absorptiespectra van kernelektronen meten en een duidelijk beeld krijgen van hoe de structuur en binding wordt beïnvloed door de pomppuls. "Als je het elektron in het continuüm brengt, het elektron zal gaan zien wat er om hem heen gebeurt, " zegt Masciovecchio terwijl hij het voordeel beschrijft van het werken met röntgenabsorptie waarbij de elektronen worden geëxciteerd, in tegenstelling tot de reflectiviteitsspectra. "Het vertelt je de lokale geometrie en lokale structuur - je krijgt heel belangrijke structurele informatie."

De opzet bij FERMI heeft ook een cruciaal voordeel voor tijdsresolutie. Een vrije elektronenlaser produceert straling van een elektronenbundel die wordt versneld tot relativistische snelheden. Interacties tussen de elektronenbundel en undulatoren - een periodieke reeks dipoolmagneten - versterken vervolgens de straling, produceren van een extreem heldere laserbron. Bij FERMI, een tafellaser zaait de vrije elektronenlaser, en dit stelt de onderzoekers in staat om de pomp- en sondepuls te synchroniseren tot binnen 7 femtoseconden vergeleken met ongeveer 200 femtoseconden voor andere vrije-elektronenlaserfaciliteiten. Deze timingprecisie is de sleutel tot studies van vloeibare koolstof vanwege het korte bestaan ​​ervan - binnen 300 femtoseconden, het monster begint te thermaliseren en uit te zetten tot een gas. "Het feest is voorbij na een halve picoseconde, ", voegt Principi toe.

De resultaten vullen enkele hiaten in het fasediagram van koolstof op. Begrijpen hoe op koolstof gebaseerde systemen zich bij extreme temperaturen en drukken gedragen, kan mogelijk nuttig zijn voor astrofysica, zoals in de studie van recent waargenomen op koolstof gebaseerde exoplaneten. Bij toekomstig werk, Principi en collega's kunnen dezelfde benadering toepassen op de studie van andere koolstofallotropen om de effecten van verschillende startdichtheden te zien, evenals voor de studie van andere elementen volledig, zoals silicium of ijzer.

© 2020 Wetenschap X Netwerk