Elmasın Erime Noktası 20 Yıl Yanlış Ölçülmüş: Lazer Deneyi Teoriyle Deneyi Barıştırdı

Bu yalnızca bir laboratuvar merakı değil. Elmas, lazerle nükleer füzyon denemelerinde yakıt kapsülünün kabuğu olarak kullanılıyor ve Uranüs ile Neptün'ün iç yapısına dair modellerde de kilit rol oynuyor.

Teori bir şey, deney başka şey söylüyordu

Elmas gibi bir malzemenin nasıl eridiğini ölçmek için yeryüzünde bulunmayan koşullar gerekir. Çalışmadaki basınçlar terapaskal düzeyinde; 1 terapaskal, deniz seviyesindeki hava basıncının yaklaşık 10 milyon katı. Phys.org'daki habere göre bu, Dünya'nın çekirdeğindeki basıncın üç katından fazla. Bu koşulları yalnızca saniyenin milyarda biri kadar yaratmak mümkün.

Önceki deneyler ile teorik hesaplar arasında yüzde 20'ye varan fark vardı; Phys.org'a göre bu, 1.000 kelvinden fazla bir uçuruma karşılık geliyordu. Bir de şu soru çözümsüzdü: Elmas erimeden önce atomlarını BC8 adı verilen başka bir katı karbon düzenine mi geçiriyor? Daha önce bu geçişin gözlendiğini öne süren bir çalışma yayımlanmıştı.

Deney nasıl yapıldı?

Deneyler Rochester Üniversitesi'ndeki OMEGA Lazer Tesisi'nde yürütüldü. Ekip aynı atışta üç ayrı ölçümü birleştirdi:

• Optik hız ölçümü: Şok dalgasının hızı ve yüzeyin yansıtıcılığı. Elmasın saydamdan aynaya dönmesi erimenin bir işareti.
• Pirometri: Sıkıştırılan malzemenin ne kadar parlak ışıdığından sıcaklığı hesaplamak. Ocaktaki demirin renginden ne kadar sıcak olduğunu tahmin etmeye benzer, ama çok daha hassas.
• X-ışını kırınımı: Lazerle üretilen kısa bir X-ışını parlamasıyla atomların o anki dizilişine bakmak. Kristal düzen bozuldukça kırınım deseni zayıflıyor.

Millot, LLNL açıklamasında şöyle dedi: "Küçük elmas örneklerini Güneş'in yüzeyinden daha sıcak ve Neptün ile Uranüs'ün merkezindekinden daha yüksek basınçlara kadar şokla sıkıştırıp yine de atomik yapıyı, sıcaklığı, yoğunluğu ve optik yansıtıcılığı ölçebildik."

Bulgular: BC8 yok, sıvı karbonda yüzen elmas var

Makalenin özetine göre elmas yapısı 1 terapaskala kadar korunuyor; yani önceki çalışmanın bildirdiği BC8 geçişi bu deneylerde görülmedi. Erime sıcaklığı yaklaşık 7.300 kelvin civarında ve basınç arttıkça hafifçe düşüyor. Live Science'ın aktardığına göre araştırmacılar bunu, atomları yeniden dizmek için gereken enerjinin tek bir şokta fazla yüksek kalmasıyla açıklıyor ve birden fazla ardışık şokla geçişin yine de mümkün olabileceğini düşünüyor.

En çarpıcı sonuç ise şu: Belli bir basınç aralığında katı elmas parçaları sıvı karbonun içinde yüzüyor. Sıvı karbon, kömür ya da grafitten farklı olarak metalik; elektriği iletiyor ve elmastan daha yoğun. Suyun içindeki buz küpünü düşünün: katı hâl sıvıdan hafif olduğu için üstte kalır. Burada da aynısı oluyor.

Neptün'deki elmas yağışı ve füzyon

Gezegen bilimcileri uzun süredir Uranüs ve Neptün'ün derinlerinde karbonun elmas olarak çöktüğünü, yani bir tür elmas yağışı olduğunu düşünüyor. Bu fikir, 1980'lerin sonunda Voyager 2 sondasının ölçümlerine ve laboratuvar deneylerine dayanıyor. Yeni veriler, bu gezegenlerin iç yapısını modelleyenlere hangi basınç ve sıcaklıkta ne olduğuna dair doğrudan ölçüm sunuyor. Yine de kimse bu yağışı gözlemlemiş değil; bulgu, modelleri besleyen bir laboratuvar kanıtı.

Füzyon cephesinde LLNL'in Ulusal Ateşleme Tesisi'nde (NIF) yakıt, elmas bir kapsülün içine konup lazerlerle sıkıştırılıyor. Phys.org'a göre yazarlar, kapsülü eritmek için şimdiye kadar kullanılandan daha yumuşak bir ilk şokun yeterli olabileceğini ve kendi hesaplarına göre bunun yakıttan elde edilen füzyon enerjisini üç katına çıkarabileceğini öne sürüyor. Bu bir hesap, henüz deneyle gösterilmiş bir sonuç değil; Phys.org da bunun bile füzyonu elektrik santraline dönüştürecek eşikten çok uzak olduğunu vurguluyor.

Açık soru şimdi ardışık şoklarda ne olacağı. Elmas BC8 düzenine hiç geçmeyecek mi, yoksa doğru yoldan sıkıştırıldığında o egzotik karbon hâli de laboratuvarda ortaya çıkacak mı?

Fotoğraf: NASA / JPL / Voyager-ISS / Aster Cowart, Public domain, Wikimedia Commons