Koolstof, het vierde meest voorkomende element in het universum, is een bouwsteen voor al het bekende leven en een materiaal dat zich in het binnenste van koolstofrijke exoplaneten bevindt.

Decennia van intensief onderzoek door wetenschappers hebben aangetoond dat de kristalstructuur van koolstof een aanzienlijke invloed heeft op de eigenschappen ervan. Naast grafiet en diamant, de meest voorkomende koolstofstructuren gevonden bij omgevingsdruk, wetenschappers hebben verschillende nieuwe koolstofstructuren voorspeld die kunnen worden gevonden bij een druk groter dan 1, 000 gigapascal (GPa). Deze drukken, ongeveer 2,5 keer de druk in de kern van de aarde, zijn relevant voor het modelleren van het interieur van exoplaneten, maar waren onmogelijk te realiseren in het laboratorium.

Dat is, tot nu. Onder het Discovery Science-programma, waarmee academische wetenschappers toegang krijgen tot LLNL's vlaggenschip National Ignition Facility (NIF), een internationaal team van onderzoekers onder leiding van LLNL en de Universiteit van Oxford heeft met succes koolstof gemeten bij een druk van 2, 000 GPa (5 keer de druk in de kern van de aarde), bijna een verdubbeling van de maximale druk waarbij een kristalstructuur ooit direct is onderzocht. De resultaten werden vandaag gerapporteerd in Natuur .

"We ontdekten dat verrassend genoeg, onder deze omstandigheden transformeert koolstof niet naar een van de voorspelde fasen, maar behoudt de diamantstructuur tot de hoogste druk, " zei LLNL-natuurkundige Amy Jenei, hoofdauteur van het onderzoek. "Dezelfde ultrasterke interatomaire bindingen (die hoge energieën nodig hebben om te breken) die verantwoordelijk zijn voor de metastabiele diamantstructuur van koolstof die voor onbepaalde tijd aanhoudt bij omgevingsdruk, belemmeren waarschijnlijk ook de transformatie boven 1, 000 GPa in onze experimenten."

De academische component van de samenwerking werd geleid door Oxford Professor Justin Wark, die het open access-beleid van het Lab prees.

"Het NIF Discovery Science-programma is enorm gunstig voor de academische gemeenschap, "zei hij. "Het geeft niet alleen gevestigde faculteiten de kans om voorstellen te doen voor experimenten die elders onmogelijk zouden zijn, maar belangrijker nog, geeft ook afgestudeerde studenten, wie zijn de senior wetenschappers van de toekomst, de kans om te werken aan een volledig unieke faciliteit."

Het team, dat ook wetenschappers van het University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE) en de University of York omvatte, maakte gebruik van NIF's unieke hoge vermogen en energie en nauwkeurige laserpulsvorming om vaste koolstof te comprimeren tot 2, 000 GPa met behulp van hellingvormige laserpulsen. Hierdoor konden ze de kristalstructuur meten met behulp van een röntgendiffractieplatform en een momentopname van nanoseconden van het atomaire rooster vastleggen. Deze experimenten verdubbelen bijna de recordhoge druk waarbij röntgendiffractie is geregistreerd op welk materiaal dan ook.

De onderzoekers ontdekten dat zelfs onder deze intense omstandigheden, vaste koolstof behoudt zijn diamantstructuur tot ver buiten zijn regime van voorspelde stabiliteit, bevestigende voorspellingen dat de sterkte van de moleculaire bindingen in diamant onder enorme druk blijft bestaan. Dit resulteert in grote energiebarrières die de omzetting naar andere koolstofstructuren belemmeren.

"Of de natuur een manier heeft gevonden om de hoge energiebarrière voor de vorming van de voorspelde fasen in het binnenste van exoplaneten te overwinnen, is nog een open vraag, " Zei Jenei. "Verdere metingen met behulp van een alternatieve compressieweg of beginnend met een allotroop van koolstof met een atomaire structuur die minder energie nodig heeft om te herschikken, zullen meer inzicht verschaffen."