Carbón, el cuarto elemento más abundante del universo, es un componente básico de toda la vida conocida y un material que se encuentra en el interior de los exoplanetas ricos en carbono.

Décadas de intensa investigación por parte de los científicos han demostrado que la estructura cristalina del carbono tiene un impacto significativo en sus propiedades. Además de grafito y diamante, las estructuras de carbono más comunes que se encuentran a presiones ambientales, Los científicos han predicho varias estructuras nuevas de carbono que podrían encontrarse a presiones superiores a 1, 000 gigapascales (GPa). Estas presiones aproximadamente 2,5 veces la presión en el núcleo de la Tierra, son relevantes para modelar interiores de exoplanetas, pero han sido imposibles de lograr en el laboratorio.

Es decir, hasta ahora. Bajo el programa Discovery Science, que permite a los científicos académicos acceder a la principal Instalación Nacional de Encendido (NIF) de LLNL, un equipo internacional de investigadores dirigido por LLNL y la Universidad de Oxford ha medido con éxito el carbono a presiones que alcanzan 2, 000 GPa (5 veces la presión en el núcleo de la Tierra), casi duplicando la presión máxima a la que se ha probado directamente una estructura cristalina. Los resultados se informaron hoy en Naturaleza .

"Descubrimos que, asombrosamente, en estas condiciones, el carbono no se transforma en ninguna de las fases previstas, pero conserva la estructura del diamante hasta la presión más alta, "dijo la física de LLNL Amy Jenei, autor principal del estudio. "Los mismos enlaces interatómicos ultrafuertes (que requieren altas energías para romperse) que son responsables de la estructura de diamante metaestable del carbono que persiste indefinidamente a presión ambiental probablemente también impidan su transformación por encima de 1, 000 GPa en nuestros experimentos ".

El componente académico de la colaboración fue dirigido por el profesor de Oxford Justin Wark, quien elogió la política de acceso abierto del laboratorio.

"El programa NIF Discovery Science es inmensamente beneficioso para la comunidad académica, ", dijo." No sólo permite a los profesores establecidos la oportunidad de presentar propuestas de experimentos que serían imposibles de hacer en otros lugares, pero, lo que es más importante, también les brinda a los estudiantes de posgrado, quiénes son los científicos superiores del futuro, la oportunidad de trabajar en una instalación completamente única ".

El equipo, que también incluía a científicos del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester y la Universidad de York, aprovechó la potencia y energía excepcionalmente altas de NIF y la forma precisa de pulso láser para comprimir el carbono sólido a 2, 000 GPa utilizando pulsos láser en forma de rampa. Esto les permitió medir la estructura cristalina utilizando una plataforma de difracción de rayos X y capturar una instantánea de nanosegundos de duración de la red atómica. Estos experimentos casi duplican la alta presión récord a la que se ha registrado la difracción de rayos X en cualquier material.

Los investigadores encontraron que incluso cuando se someten a estas condiciones intensas, el carbono sólido conserva su estructura de diamante mucho más allá de su régimen de estabilidad prevista, confirmando las predicciones de que la fuerza de los enlaces moleculares en el diamante persiste bajo una enorme presión. Esto da como resultado grandes barreras energéticas que dificultan la conversión a otras estructuras de carbono.

"Si la naturaleza ha encontrado una manera de superar la barrera de alta energía para la formación de las fases predichas en el interior de los exoplanetas es todavía una pregunta abierta". "Dijo Jenei." Otras mediciones utilizando una vía de compresión alternativa o partiendo de un alótropo de carbono con una estructura atómica que requiere menos energía para reorganizarse proporcionarán más información ".