Mesuren l'estructura del carboni líquid, un èxit sense precedents per a la investigació en energia de fusió

El carboni líquid, que podria trobar-se a l'interior dels planetes gegants, exerceix un paper important en el desenvolupament de tecnologies futures de fusió nuclear, una font d'energia neta i quasi il·limitada. No obstant això, fins a la data se sabia molt poc sobre el carboni en la seua forma líquida, ja que en eixe estat era pràcticament impossible estudiar-lo en el laboratori. A pressió ambient el carboni no es fon, sinó que passa immediatament a l'estat gasós, i només a elevades pressions i temperatures el carboni es torna líquid.

Se sap que la compressió làser és capaç de convertir el carboni sòlid en líquid en fraccions de segon. “El repte consisteix a utilitzar aquestes fraccions de segon per a realitzar mesuraments i, d'una forma abans inimaginable, això s'ha fet realitat utilitzant el DIPOLE 100-X, un làser d'alta energia que permet crear condicions amb pressions de fins a 10.000 tones per centímetre quadrat i temperatures superiors a 10.000 graus en molt poc temps.”, comenta Daniel Errandonea, catedràtic de física aplicada, investigador de l'Institut de Ciència dels Materials (ICMUV) de la Universitat de València (UV) i coautor del treball que acaba de publicar Nature.

Gràcies a les capacitats del DIPOLE 100-X, instal·lat en el làser d'electrons lliures de raigs X europeu (EuXFEL), l'equip d'investigació ha combinat per primera vegada la potent compressió làser amb l'anàlisi ultraràpida de raigs X i detectors de raigs X de gran àrea. Segons l'article, en l'experiment els polsos d'alta energia del làser creen ones de compressió a través d'una mostra sòlida de carboni i liqüen el material durant una milmillonèssima de segon. Durant aquest breu període, la mostra s'irradia amb els raigs X de l’EuXFEL, i els àtoms de carboni dispersen la llum de raigs X de manera similar a com la llum es difracta en una reixeta. D'aquesta manera, el patró de difracció creat permet extraure informació valuosa sobre la distribució dels àtoms en el carboni líquid, la forma en què s'organitzen i les interaccions entre ells.

Els resultats revelen que l'estructura del carboni líquid és similar a la del diamant sòlid, en la qual cada àtom de carboni està envoltat d'altres quatre àtoms de carboni. Tal disposició dels àtoms de carboni és adoptada també en gran varietat de compostos orgànics i és fonamental per a l'estructura de nombrosos materials. També permeten determinar el punt de fusió, una informació fonamental per al seu ús en ambients on la temperatura és un factor crític, com els reactors de fusió. “Fins ara, les prediccions teòriques sobre l'estructura del carboni líquid i el punt de fusió havien divergit significativament. El seu coneixement precís és crucial per a la modelització planetària i el disseny de millors materials per a la generació d'energia mitjançant fusió nuclear”, conclou el professor titular de física aplicada David Santamaría-Pérez, membre de l'equip de l’ICMUV, coautor també de l'article i integrant, al costat de D. Errandonea, del programa Materials Avançats del Pla Complementari de R+D+I.

L'estudi és una col·laboració internacional liderada per investigadors de la Universitat de Rostock i el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. A més de l'Institut de Ciència dels Materials de la Universitat de València, participen en el treball les universitats d'Edimburg i Oxford, els laboratoris nacionals de Los Álamos i Livermore, la Universitat de la Sorbona, l'Institut Paul Scherrer, i altres 35 institucions científiques d'Europa, dels EUA i d’Àsia.

Referència:

D. Kraus, et al.: The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction, in Nature, 2025. (DOI: 10.1038/s41586-025-09035-6)