Carbonio, il quarto elemento più abbondante nell'universo, è un elemento costitutivo di tutta la vita conosciuta e un materiale che si trova all'interno di esopianeti ricchi di carbonio.

Decenni di intense ricerche da parte degli scienziati hanno dimostrato che la struttura cristallina del carbonio ha un impatto significativo sulle sue proprietà. Oltre alla grafite e al diamante, le strutture di carbonio più comuni che si trovano a pressioni ambiente, gli scienziati hanno previsto diverse nuove strutture di carbonio che potrebbero essere trovate a pressioni maggiori di 1, 000 gigapascal (GPa). Queste pressioni, circa 2,5 volte la pressione nel nucleo terrestre, sono rilevanti per la modellazione degli interni degli esopianeti, ma sono stati impossibili da ottenere in laboratorio.

Questo è, fino ad ora. Nell'ambito del programma Discovery Science, che consente agli scienziati accademici di accedere all'ammiraglia National Ignition Facility (NIF) di LLNL, un team internazionale di ricercatori guidati da LLNL e dall'Università di Oxford ha misurato con successo il carbonio a pressioni che raggiungono 2, 000 GPa (5 volte la pressione nel nucleo terrestre), quasi raddoppiando la pressione massima alla quale una struttura cristallina è mai stata sondata direttamente. I risultati sono stati riportati oggi in Natura .

"Abbiamo scoperto che, sorprendentemente, in queste condizioni il carbonio non si trasforma in nessuna delle fasi previste ma mantiene la struttura del diamante fino alla massima pressione, " ha detto il fisico LLNL Amy Jenei, autore principale dello studio. "Gli stessi legami interatomici ultra-forti (che richiedono alte energie per rompersi) che sono responsabili della struttura del diamante metastabile del carbonio che persiste indefinitamente a pressione ambiente, probabilmente impediscono anche la sua trasformazione al di sopra di 1, 000 GPa nei nostri esperimenti."

La componente accademica della collaborazione è stata guidata dal professore di Oxford Justin Wark, che ha elogiato la politica di accesso aperto del Lab.

"Il programma NIF Discovery Science è immensamente vantaggioso per la comunità accademica, ", ha detto. "Non solo consente a docenti affermati la possibilità di avanzare proposte per esperimenti che sarebbero impossibili da fare altrove, ma soprattutto offre anche agli studenti laureati, chi sono gli scienziati senior del futuro, la possibilità di lavorare su una struttura completamente unica."

Il team, che comprendeva anche scienziati del Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell'Università di Rochester e dell'Università di York, ha sfruttato l'eccezionale potenza ed energia del NIF e l'accurata modellazione dell'impulso laser per comprimere il carbonio solido a 2, 000 GPa utilizzando impulsi laser a forma di rampa. Ciò ha permesso loro di misurare la struttura cristallina utilizzando una piattaforma di diffrazione dei raggi X e catturare un'istantanea della durata di nanosecondi del reticolo atomico. Questi esperimenti hanno quasi il doppio dell'alta pressione record alla quale la diffrazione dei raggi X è stata registrata su qualsiasi materiale.

I ricercatori hanno scoperto che anche se sottoposti a queste condizioni intense, il carbonio solido mantiene la sua struttura a diamante ben oltre il suo regime di stabilità previsto, confermando le previsioni secondo cui la forza dei legami molecolari nel diamante persiste sotto un'enorme pressione. Ciò si traduce in grandi barriere energetiche che ostacolano la conversione in altre strutture di carbonio.

"Se la natura ha trovato un modo per superare la barriera dell'alta energia alla formazione delle fasi previste all'interno degli esopianeti è ancora una questione aperta, " ha detto Jenei. "Ulteriori misurazioni utilizzando un percorso di compressione alternativo o partendo da un allotropo di carbonio con una struttura atomica che richiede meno energia per riorganizzarsi forniranno ulteriori informazioni".