Lasers met hoog vermogen produceren voor het eerst vloeibare koolstof, wat het ontwerp van fusie-ablators bevordert

Onderzoekers hebben de eerste de eerste gedetailleerde röntgendiffractiekiekiekiekjes gemaakt van vloeibaar koolstof onder een druk van ongeveer een miljoen atmosfeer, waarbij een voorbijgaande, tetraëderlijk gebonden vloeistof werd onthuld in plaats van een dicht opeengepakte atoomsoep. De metingen, die gedaan werden door de DiPOLE 100-X laser in glasachtig koolstof te schieten en de geschokte materie te onderzoeken met 18 keV pulsen van de Europese XFEL, laten ongeveer vier naaste buren per atoom zien - ver van het dozijn dat verwacht wordt in eenvoudige vloeistoffen - en bieden een solide benchmark voor kwantummoleculair-dynamische simulaties van koolstof onder extreme omstandigheden.

Het team observeerde de overgang van amorfe koolstof naar diamant bij ~80 GPa, gevolgd door volledig smelten in de vloeistof bij ~160 GPa. Fourieranalyse van de diffractiegegevens wees op een eerste-shell coördinatiegetal van 3,78 ± 0,15 en een bescheiden volumesprong van 7% bij het smelten, waarden die overeenkomen met recente eerste-principes berekeningen. Deze gegevens maakten ook een experimentele schatting mogelijk van de latente smeltwarmte (~130 kJ mol-1) en valideerden de positieve 11 K GPa-1 helling van de smeltcurve van koolstof in dit drukbereik.

Dergelijk microscopisch inzicht is van belang voor inertiële-confusie fusie (ICF). De huidige ontstekingsontwerpen, waaronder de National Ignition Facility's record schotberusten op een koolstofomhulsel (diamant) met hoge dichtheid dat een deuterium-tritiumtarget omhult en symmetrisch samendrukt. Het omhulsel wordt tijdens de eerste schok opzettelijk dicht bij het smeltpunt gedreven; de reactie van het omhulsel - sterkte, opaciteit, warmtecapaciteit - bepaalt de rest van de implosie. Een volledig beeld van de structuur en toestandsvergelijking van vloeibare koolstof is daarom direct bruikbaar voor het toekomstige ontwerp van fusie-ablators en voor voorspellende hydrodynamische modellering.

Het onderzoek benadrukt ook de prestatiekloof tussen kristallijne en amorfe koolstofcoatings. Opkomende ICF-concepten verkennen amorfe lagen met een lagere dichtheid en rijk aan waterstof om de voorverwarming te verminderen en de implosiesymmetrie te verbeteren. De nieuwe gegevens over de vloeibare toestand bieden een manier om deze films op maat te maken: de porositeit aanpassen, de optische diepte afstemmen en samenstellingen selecteren die gunstige smeltkenmerken behouden onder schokbelasting.

Naast de directe fabricage van doelen, fungeren de resultaten als een trainingsset van hoge kwaliteit voor machinaal lerende interatomaire potentialen, die moleculair-dynamische simulaties van koolstof onder schokken aanzienlijk versnellen, zodat u grotere systeemgroottes en langere tijdschalen kunt bereiken dan anders praktisch mogelijk zou zijn.