في إنجاز علمي غير مسبوق، نجح فريق بحثي دولي في الكشف عن بنية الكربون السائل تجريبيا لأول مرة، وهو شكل نادر الظهور من هذا العنصر، وذو أهمية كبيرة في التقنيات الحديثة.
أُجريت هذه الدراسة المتقدمة باستخدام الليزر عالي الطاقة بالتوازي مع ليزر الأشعة السينية فائق الدقة في مدينة شينيفلد بألمانيا، ونشرت الدراسة حديثا في دورية “نيتشر” العلمية.
ضربات الليزر
لإنتاج الكربون السائل في المختبر، استخدم الباحثون تقنية الضغط بالليزر، حيث تولّدت موجات تصادمية قوية تمر عبر عينة من الكربون الزجاجي، مما أدى إلى رفع درجة الحرارة والضغط بسرعة كبيرة ولمدة نانوثانية فقط، وهي فترة زمنية قصيرة للغاية تساوي جزءا من مليار من الثانية.
خلال تلك اللحظة، سلّط العلماء ومضة من أشعة إكس فائقة الدقة على العينة، مما مكّنهم من التقاط نمط حيود الأشعة السينية، الذي يُظهر ترتيب الذرات في الحالة السائلة.
أظهرت هذه القياسات أن الكربون السائل يتمتع ببنية معقدة تتكون من روابط عابرة بين الذرات، بحيث تحيط بكل ذرة كربون تقريبا أربع ذرات جارة، وهو ترتيب مشابه لتركيب الألماس الصلب.
ويُعد هذا التوزيع مخالفا لتركيب السوائل البسيطة الأخرى التي تحتوي عادة على عدد أكبر من الذرات الجارة يصل إلى 12.
وقد أتاح هذا الاكتشاف فرصة غير مسبوقة لتأكيد توقعات النماذج الحاسوبية المعتمدة على الديناميكيات الجزيئية الكمومية، والتي لطالما حاولت التنبؤ بسلوك الكربون في ظروف قصوى.
وإضافة إلى معرفة التركيب البنيوي للكربون السائل، استطاع الفريق البحثي تحديد نقطة الانصهار بدقة في نطاق ضغط يقارب 160 غيغاباسكال ودرجة حرارة تتجاوز 7000 كلفن.
مثل الماس
وقد أظهر التحليل أن الانتقال من الحالة الصلبة إلى السائلة يصاحبه تغيير في الكثافة بنسبة تتوافق مع التنبؤات النظرية بدقة.
كما أُجري تحليل معمّق لقياس المسافات بين الذرات في السائل، وتم استخراج أرقام دقيقة تمثل عدد الذرات الجارة الأولى والثانية حول كل ذرة.
كما يتضح من التجربة، الكربون السائل حالة نادرة لا تتوافر إلا في ظروف حرارية وضغط شديد، كتلك الموجودة في أعماق الكواكب العملاقة مثل نبتون وأورانوس، حيث يمكن أن يلعب الكشف عن بنيته دورا في تفسير الظواهر المغناطيسية غير المفسّرة في تلك الكواكب.
كما يُعد الكربون السائل حالة انتقالية مهمة لتصنيع مواد كربونية متقدمة، من بينها الأنابيب النانوية والألماس النانوي، وله تطبيقات حيوية في تجارب الاندماج النووي، حيث يُستخدم الكربون كمادة عازلة.
تشير النتائج أيضا إلى أن هذه التقنية الجديدة في دراسة المواد تحت ضغط عالٍ يمكن أن تُستخدم مستقبلا في تحليل بنية سوائل أخرى، مكونة من عناصر خفيفة مثل الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين لم يكن لها أن تتواجد في ظروفنا الطبيعية. ومع تطوير أنظمة تحكم أوتوماتيكي أسرع، قد تتمكن الفرق البحثية من تكرار مثل هذه التجارب في غضون ثوانٍ فقط بدلا من ساعات.