Högeffektslasrar producerar flytande kol för första gången, vilket förbättrar designen av fusionsablatorer

Forskare har fångat de första detaljerade ögonblicksbilderna med röntgendiffraktion av flytande kol under tryck på nära en miljon atmosfärer, vilket avslöjar en övergående, tetraedriskt bunden vätska snarare än en tätt packad atomsoppa. Mätningarna, som gjordes genom att skjuta DiPOLE 100-X-lasern i glasartat kol och undersöka den chockade materian med 18 keV-pulser från European XFEL, visar cirka fyra närmaste grannar per atom - långt ifrån det dussin som förväntas i enkla vätskor - och ger ett solidt riktmärke för kvantmolekyldynamiksimuleringar av kol under extrema förhållanden.

Teamet observerade övergången från amorft kol till diamant vid ~ 80 GPa, följt av fullständig smältning i vätskan vid ~ 160 GPa. Fourieranalys av diffraktionsdata indikerade ett koordinationsnummer i första skalet på 3,78 ± 0,15 och ett blygsamt volymhopp på 7 procent vid smältning, värden som överensstämmer med nyligen genomförda beräkningar enligt första principen. Dessa data möjliggjorde också en experimentell uppskattning av den latenta fusionsvärmen (~ 130 kJ mol-1) och validerade den positiva lutningen på 11 K GPa-1 för kolets smältkurva i detta tryckområde.

En sådan mikroskopisk insikt är viktig för tröghetsfusion (ICF). Nuvarande tändningskonstruktioner, inklusive National Ignition Facility's rekordsättande skott, bygger på ett skal av kol (diamant) med hög densitet som omger och symmetriskt komprimerar ett deuterium-tritium-mål. Detta skal drivs avsiktligt nära sin smältpunkt under den första chocken; dess respons - styrka, opacitet, värmekapacitet - sätter scenen för resten av implosionen. En fullständig bild av det flytande kolets struktur och tillståndsekvation kan därför användas direkt i framtida design av fusionsablatorer och prediktiv hydrodynamisk modellering.

Studien belyser också prestandagapet mellan kristallina och amorfa kolbeläggningar. Nya ICF-koncept utforskar väterika amorfa filmer med lägre densitet för att minska förvärmningen och förbättra implosionens symmetri. De nya vätsketillståndsdata erbjuder en väg för att skräddarsy dessa filmer: matchande porositet, inställning av optiskt djup och val av kompositioner som bibehåller gynnsamma smältegenskaper under chockbelastning.

Utöver direkt måltillverkning fungerar resultaten som en högkvalitativ träningsuppsättning för maskininlärning av interatomära potentialer, vilket dramatiskt påskyndar molekyldynamiksimuleringar av kol under chock - så att du kan nå större systemstorlekar och längre tidsskalor än vad som annars skulle vara praktiskt.