Investigadores lograron “derretir” un diamante

Un nuevo estudio -publicado en Nature Physics- ha logrado observar el proceso de fundición de un diamante con un detalle inédito.

El equipo, dirigido por el físico Marius Millot del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), comprimió mediante ondas de choque diminutas muestras de diamante en las instalaciones láser OMEGA de la Universidad de Rochester, alcanzando presiones tres veces superiores a las del núcleo terrestre.

El resultado ayuda a resolver dos cuestiones que llevaban años enfrentando experimentos y simulaciones, y además aporta información relevante para la energía de fusión y los modelos del interior de Urano y Neptuno.

Un misterio de dos décadas

Hace unos veinte años, el científico del LLNL Jon Eggert y sus colegas, pioneros en los experimentos sobre la fusión del diamante a alta presión, observaron una peculiaridad: bajo esas enormes presiones, el carbono líquido resultante es más denso que el diamante sólido. El comportamiento recuerda al del hielo y el agua: el sólido, menos denso, puede flotar sobre el líquido.

Aquel trabajo fue un hito, pero abrió más preguntas de las que cerró. La principal era que las temperaturas de fusión medidas en el laboratorio no coincidían con lo que predecían las simulaciones cuánticas más avanzadas. Según el LLNL, la diferencia rondaba el 20 %, y ni las técnicas de simulación más avanzadas lograban reproducir los resultados experimentales.

A ese desajuste se sumó otro enigma, ya que trabajos anteriores habían planteado la posible aparición de una fase cristalina llamada BC8 antes de la fusión, aunque faltaba una observación directa de su estructura atómica durante el proceso.

Láseres, rayos X y una milmillonésima de segundo

Para resolver ambas cuestiones a la vez, el equipo de Millot utilizó láseres para vaporizar la capa exterior de diminutas muestras de diamante y generar ondas de choque que las comprimieron hasta alcanzar presiones de entre 600 gigapascales y 1,8 terapascales, según recoge Science Alert.

El reto no era solo generar esas condiciones, sino medirlas, y ahí estaba la dificultad real del experimento: esas condiciones extremas duraban apenas alrededor de una milmillonésima de segundo, y en ese instante había que capturar datos de difracción de rayos X, densidad, temperatura y reflectividad óptica.

Millot describe esas mediciones como especialmente arduas porque el carbono, al ser un átomo pequeño y ligero, dispersa muy poca señal de rayos X.

El esfuerzo dio sus frutos en los dos frentes. Por un lado, según el estudio, las nuevas mediciones situaron la temperatura de fusión en torno a los 7.300 kelvin a una presión cercana a un terapascal, más de 1.000 grados por debajo de la estimación anterior y esta vez sí en sintonía con la teoría.

Por otro, la respuesta al segundo misterio fue igual de contundente, ya que los experimentos no detectaron una fase BC8 significativa durante la compresión por un único choque.

Mientras los rayos X siguieron detectando material cristalino, los átomos mantuvieron la estructura característica del diamante, sin que apareciera una fase intermedia significativa. Según Millot, el único choque no deja tiempo suficiente para que la muestra se reorganice y esta permanece "atrapada” en la estructura del diamante.

De la energía de fusión a las profundidades de Neptuno

Con ambas discrepancias aclaradas, los hallazgos empiezan a proyectarse fuera del laboratorio. El primer terreno donde aterrizan es el de la energía de fusión.

En la Instalación Nacional de Ignición del propio LLNL, diminutas cápsulas de diamante encierran el combustible que los láseres comprimen para intentar desencadenar la fusión nuclear, y hasta ahora los ingenieros usaban un primer choque relativamente intenso para garantizar que el diamante se fundiera por completo.

El nuevo mapa de fusión sugiere que podría utilizarse un primer choque algo más lento sin impedir que el diamante se funda por completo.

Esto mantendría el combustible más compresible y podría favorecer una implosión final más densa. Según los modelos del equipo, ese ajuste podría llegar a triplicar la ganancia energética de estos experimentos, siempre que se logren controlar otras fuentes de pérdida de rendimiento.

La otra implicación mira hacia arriba, no hacia el laboratorio. Desde los años ochenta se especula con que en las profundidades de Urano y Neptuno el carbono podría cristalizarse en diamante y precipitar hacia el interior del planeta, generando un proceso conocido como "lluvia de diamantes".

Los experimentos de Millot alcanzaron presiones superiores a las previstas en el interior de esos planetas, así que los nuevos datos ofrecen mejores referencias para los modelos que intentan determinar en qué condiciones el diamante podría mantenerse estable o fundirse en el interior de estos gigantes helados.