Gesmolten diamant: wetenschappers observeren voor het eerst vloeibare koolstof
Geavanceerde materialen
Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 17 september 2025
Vloeibare koolstof werd voor het eerst experimenteel waargenomen door een krachtige laser te combineren met een röntgenlaserflits . [Afbeelding: HZDR/M. Künsting]
Vloeibare koolstof
Wetenschappers hebben voor het eerst vloeibare koolstof – denk aan een gesmolten diamant – kunnen bestuderen in een laboratorium experiment.
Er wordt aangenomen dat er vloeibare koolstof aanwezig is in planeten en sterren, waar de temperatuur- en drukomstandigheden dat toelaten. Er bestaat echter ook hoop dat de vloeibare fase van koolstof een rol zal spelen in toekomstige technologieën zoals kernfusie .
Tot op heden weten we echter nog maar weinig over koolstof in vloeibare vorm, omdat koolstof niet smelt onder normale druk, maar direct in een gas verandert. Extreme druk en een geschatte temperatuur van minstens 4500 °C – het hoogste smeltpunt van alle materialen – zijn dus nodig om koolstof stabiel vloeibaar te laten worden, maar geen enkele container kan het bevatten.
Om dit experiment uit te voeren, gebruikte een groot team onder leiding van Dominik Kraus van de Universiteit van Rostock en het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf in Duitsland een superlaser genaamd DIPOLE 100-X om alles zeer snel te doen. De superlaser bevindt zich in XFEL, een enorm röntgenlaserlaboratorium dat onder andere koper transparant heeft gemaakt, antimateriestralen heeft afgevuurd en zelfs de kern van een ster heeft gesimuleerd .
De glasachtige koolstofmonsters werden onderworpen aan laserschokcompressie en hun microscopische structuur werd geanalyseerd met behulp van een röntgenpuls die werd opgevangen door twee detectoren. [Afbeelding: D. Kraus]
Lasercompressie
De techniek die hiervoor wordt gebruikt, staat bekend als lasercompressie. Het is dezelfde techniek die wordt gebruikt bij kernfusie met traagheidsopsluiting . Hierbij worden sterke laserflitsen op een brandstofcapsule gericht, waardoor deze met voldoende kracht in elkaar stort om de atomen samen te drukken en kernfusie te starten.
Het team heeft nu aangetoond dat deze techniek ervoor kan zorgen dat vaste koolstof binnen een fractie van een seconde overgaat in vloeibare koolstof.
In het experiment induceerden hoogenergetische pulsen van de DIPOLE100-X laser compressiegolven door een vast koolstofmonster, waardoor het materiaal gedurende enkele nanoseconden (miljardsten van een seconde) vloeibaar werd. Gedurende dit vluchtige moment wordt het monster bestraald met de ultrakorte röntgenlaserflits van de XFEL.
Koolstofatomen verstrooien röntgenlicht en dit diffractiepatroon maakt het mogelijk om informatie te verkrijgen over de rangschikking van atomen in vloeibare koolstof.
Het hele experiment duurde slechts enkele seconden, maar het team herhaalde het vele malen, telkens met een iets vertraagde röntgenpuls of onder iets andere druk- en temperatuuromstandigheden. De vele verzamelde momentopnamen werden vervolgens gecombineerd tot een film, waardoor ze de overgang van de vaste naar vloeibare koolstof stap voor stap konden volgen.
Gesmolten diamant
Metingen lieten zien dat de systemische structuur van vloeibare koolstof vergelijkbaar is met die van vaste diamant, waarbij elk koolstofatoom vier aangrenzende koolstofatomen behoudt. Met andere woorden, onder de temperatuur en druk die nodig zijn om koolstof te laten vloeien, is de resulterende vloeistof een echte gesmolten diamant.
"Dit is de eerste keer dat we de structuur van vloeibare koolstof experimenteel hebben kunnen observeren. Ons experiment bevestigt voorspellingen die zijn gedaan door geavanceerde simulaties van vloeibare koolstof. We observeren een complexe vloeistofvorm, vergelijkbaar met water, met zeer bijzondere structurele eigenschappen", legt Kraus uit.
De onderzoekers konden ook het smeltpunt van koolstof nauwkeurig bepalen, dat met 6283,85 °C veel hoger ligt dan eerder was berekend. Tot nu toe liepen theoretische voorspellingen over de structuur en het smeltpunt van koolstof aanzienlijk uiteen, maar nauwkeurige kennis is cruciaal voor planetaire modellering en enkele concepten voor kernfusie-energieopwekking.
Artikel: De structuur van vloeibare koolstof opgehelderd door in-situ röntgendiffractie
Auteurs: Dominik Kraus, J. Rips, M. Schörner, MG Stevenson, J. Vorberger, D. Ranjan, J. Lütgert, B. Heuser, JH Eggert, H.-P. Liermann, II Oleynik, S. Pandolfi, R. Redmer, A. Sollier, C. Strohm, TJ Volz, B. Albertazzi, SJ Ali, L. Antonelli, C. Bähtz, OB Ball, S. Banerjee, AB Belonoshko, CA Bolme, V. Bouffetier, R. Briggs, K. Buakor, T. Butcher, V. Cerantola, J. Chantel, AL Coleman, J. Collier, GW Collins, AJ Comley, TE Cowan, G. Cristoforetti, H. Cynn, A. Descamps, A. Di Cicco, S. Di Dio Cafiso, F. Dorchies, MJ Duff, A. Dwivedi, C. Edwards, D. Errandonea, S. Galitskiy, E. Galtier, H. Ginestet, L. Gizzi, A. Gleason, S. Gode, JM Gonzalez, MG Gorman, M. Harmand, NJ Hartley, PG Heighway, C. Hernandez-Gomez, A. Higginbotham, H. Höppner, RJ Husband, TM Hutchinson, H. Hwang, DA Keen, J. Kim, P. Koester, Z. Konôpková, A. Krygier, L. Labate, A. Laso Garcia, AE Lazicki, Y. Lee, P. Mason, M. Masruri, B. Massani, EE McBride, JD McHardy, D. McGonegle, C. McGuire, RS McWilliams, S. Merkel, G. Morard, B. Nagler, M. Nakatsutsumi, K. Nguyen-Cong, A.-M. Norton, N. Ozaki, C. Otzen, DJ Peake, A. Pelka, KA Pereira, JP Phillips, C. Prescher, TR Preston, L. Randolph, A. Ravasio, D. Santamaria-Perez, DJ Savage, M. Schölmerich, J.-P. Schwinkendorf, S. Singh, J. Smith, RF Smith, J. Spear, C. Spindloe, T.-A. Suer, M. Tang, M. Toncian, T. Toncian, SJ Tracy, A. Trapananti, CE Vennari, T. Vinci, M. Tyldesley, SC Vogel, JPS Walsh, JS Wark, JT Willman, L. Wollenweber, U. Zastrau, E. Brambrink, K. Appel, MI McMahonMagazine: NatureVol.: 642, pagina's 351-355DOI: 10.1038/s41586-025-09035-6
Ander nieuws over:
inovacaotecnologica
