للمرة الأولى.. العلماء يلتقطون البنية الذرية للكربون السائل تحت ضغوط هائلة

للمرة الأولى في تاريخ الفيزياء، تمكن فريق دولي بقيادة البروفيسور دومينيك كراوس من جامعة روستوك ومركز هلمهولتز دريسدن-روسندورف (HZDR) من دراسة «الكربون السائل» في المختبر ورسم خريطته الذرية.

هذا الشكل النادر من الكربون لا يتكون إلا تحت ضغوط هائلة ودرجات حرارة عالية جدًا، ويختفي سريعًا، ما جعله لغزًا أمام العلماء لعقود.

أُجريَت التجربة في مرفق الأشعة السينية الحرة الأوروبية (European XFEL) قرب هامبورج، حيث دمج الباحثون ليزرًا بصريًا عالي القدرة مع ليزر أشعة إكس حرّ إلكترونيًا لتوليد نبضات فائقة القصر، مكنتهم من ضغط وتسخين الكربون لبضع نانوثوانٍ فقط، ثم التقاط صور حيّة لبنيته قبل أن يتلاشى.

النتائج، المنشورة في دورية Nature، كشفت أن الكربون السائل يحتفظ بنمط ذري منظم نسبيًا، إذ يحافظ كل ذرة على نحو أربعة جيران في المتوسط، وهو ترتيب قريب من شبكة الماس الصلبة.

كما نجح الفريق في تحديد أرقام دقيقة لخط الانصهار عند ضغوط تصل إلى نحو مليون جو، وهو ما يحسم جدلاً دام سنوات بين النماذج النظرية المختلفة لسلوك الكربون في هذه الظروف.

تكمن أهمية هذا الاكتشاف في أن الكربون عنصر محوري في الإلكترونيات والتقنيات الطاقية والكيمياء الحيوية.

أما سلوكه السائل فكان صفحة بيضاء تقريبًا، رغم أنه ضروري لفهم أعماق الكواكب العملاقة مثل أورانوس ونبتون، حيث يُعتقد أن الكربون يذوب ويتحول إلى ماس تحت ضغوط عالية.

كما أن معرفة خصائصه عند هذه الحالات القصوى تفيد في تطوير محاكيات أكثر دقة للتجارب عالية الطاقة مثل الاندماج النووي.

اعتمد الباحثون على تقنية حيود أشعة إكس لتحويل الأنماط المتناثرة إلى ما يُعرف بـ«عامل البنية الساكن» S(k) ومنها إلى «دالة التوزيع الشعاعي» g(r)، والتي تتيح حساب عدد الجيران الأقرب (التنسيق الذري).

وتمت مقارنة النتائج بمحاكاة ديناميكا جزيئية معتمدة على نظرية الكثافة (DFT-MD) للتحقق من دقتها.

هذا الإنجاز يفتح الباب لدراسة عناصر أخرى خفيفة في ظروف قصوى، ما يمد العلماء ببيانات أنظف حول تركيب الكواكب الخارجية وعلوم الصدمات وتصميم المواد عالية الكثافة الطاقية.