Il diamante è considerato uno dei materiali naturali più resistenti sulla Terra. Ma anche il più duro dei cristalli può smettere di essere un solido quando viene sottoposto a condizioni estreme.
Un gruppo di ricercatori ha infatti osservato la fusione del diamante sotto pressioni enormi e a temperature di circa 7.300 kelvin, equivalenti a circa 7.000 °C. Una temperatura superiore a quella della superficie del Sole.
Il risultato, però, non riguarda soltanto la resistenza dei diamanti. Gli esperimenti potrebbero aiutare a comprendere meglio cosa accade alla materia all’interno di pianeti come Urano e Nettuno e potrebbero persino avere conseguenze per alcune tecnologie legate alla fusione nucleare.
Il diamante che resiste… fino a quando non resiste più
Per capire quanto siano estreme le condizioni dell’esperimento bisogna partire dalla pressione.
I ricercatori hanno sottoposto piccoli diamanti sintetici a pressioni che arrivavano fino a circa un terapascal, cioè quasi dieci milioni di volte la pressione atmosferica al livello del mare.
Nonostante questo, il diamante ha continuato a mantenere la propria struttura cristallina.
Poi, aumentando ulteriormente la temperatura, qualcosa è cambiato improvvisamente: il reticolo ordinato degli atomi di carbonio è scomparso e il materiale è diventato liquido.
La fusione è avvenuta a circa 7.300 kelvin.
Il dato è particolarmente interessante perché una precedente stima sperimentale collocava il punto di fusione a una temperatura di circa 1.500 kelvin più elevata. Le nuove misurazioni sembrano invece essere molto più vicine alle previsioni ottenute attraverso le simulazioni al computer.
Un esperimento durato pochi miliardesimi di secondo
Studiare la materia in queste condizioni non è semplice.
Gli esperimenti sono stati realizzati presso la Omega Laser Facility di Rochester, negli Stati Uniti. I ricercatori hanno utilizzato impulsi laser estremamente potenti per comprimere i campioni.
In totale sono stati realizzati 19 esperimenti, con pressioni comprese indicativamente tra 600 e 1.800 gigapascal.
Il momento decisivo è durato appena pochi nanosecondi.
In questo brevissimo intervallo gli scienziati hanno dovuto misurare contemporaneamente diversi parametri: velocità dell’impatto, luminosità, riflettività e soprattutto struttura atomica del materiale attraverso la diffrazione dei raggi X.
È proprio quest’ultima tecnica ad aver permesso di osservare direttamente cosa accadeva alla struttura del carbonio mentre il diamante veniva portato verso la fusione.
Il diamante liquido è più denso del diamante solido
Uno degli aspetti più curiosi della ricerca riguarda la densità.
In queste condizioni estreme, il carbonio liquido risulta più denso del diamante solido.
Questo significa che, almeno in linea teorica, un cristallo di diamante potrebbe galleggiare sul carbonio liquido.
È un comportamento che ricorda quello dell’acqua: il ghiaccio galleggia sull’acqua perché il solido è meno denso del liquido.
Non è una semplice curiosità. Il comportamento della materia quando cambia fase è strettamente collegato alle condizioni fisiche presenti negli ambienti estremi, compresi quelli che si trovano all’interno dei pianeti.
E il misterioso BC8?
Gli esperimenti hanno inoltre affrontato un’altra questione che da anni interessa i fisici del carbonio: l’esistenza di una possibile struttura chiamata BC8.
Secondo alcuni calcoli teorici, a pressioni sufficientemente elevate questa forma del carbonio potrebbe diventare più stabile del normale diamante.
Precedenti esperimenti erano stati interpretati come possibile evidenza della comparsa di questa fase.
Le nuove osservazioni ai raggi X raccontano però una storia diversa.
Anche quando il carbonio veniva sottoposto a pressioni estreme, non sono state osservate le caratteristiche che ci si aspetterebbe da una trasformazione significativa verso BC8. Il campione sembrava rimanere intrappolato nella struttura del diamante fino alla fusione.
Questo suggerisce qualcosa di importante sulla materia: non contano soltanto la pressione e la temperatura, ma anche il percorso attraverso cui il materiale raggiunge quelle condizioni.
Gli atomi hanno bisogno di tempo e di un determinato percorso per riorganizzarsi. Se la trasformazione avviene troppo rapidamente, possono rimanere bloccati nella struttura precedente.
La “pioggia di diamanti” di Urano e Nettuno
Ed è qui che la ricerca diventa interessante anche per l’astronomia.
Da decenni gli scienziati ipotizzano che nelle profondità di Urano e Nettuno le enormi pressioni e temperature possano trasformare parte del carbonio presente nei materiali ricchi di idrocarburi in diamanti.
Questi cristalli, una volta formati, potrebbero sprofondare verso gli strati più profondi del pianeta. Da qui nasce la suggestiva espressione “pioggia di diamanti”.
Naturalmente i pianeti reali sono molto più complessi dei campioni utilizzati in laboratorio: al loro interno sono presenti miscele di acqua, metano, ammoniaca e altre sostanze.
Gli esperimenti sul carbonio permettono però di definire meglio quando il diamante può rimanere stabile, quando può fondere e come può comportarsi sotto pressioni estreme.
E potrebbe aiutare anche la fusione nucleare
La scoperta potrebbe avere un risvolto ancora più sorprendente.
Nella ricerca sulla fusione nucleare vengono utilizzate minuscole capsule di diamante che contengono il combustibile. I laser producono onde d’urto che comprimono il materiale verso l’interno a velocità elevatissime.
Capire con maggiore precisione quando e come il diamante fonde può quindi aiutare gli scienziati a progettare meglio queste capsule.
Secondo le simulazioni riportate dagli autori, una diversa gestione dello shock iniziale potrebbe consentire di mantenere il combustibile più comprimibile e ottenere un’implosione più efficiente. In determinate condizioni, il modello suggerisce una produzione di energia da fusione potenzialmente fino a tre volte superiore.
Si tratta, però, di una previsione modellistica, non di un risultato sperimentale già ottenuto.
Un diamante può quindi davvero “sciogliersi”?
Sì. Ma il punto fondamentale è che non basta scaldarlo.
A pressione atmosferica il comportamento del carbonio è molto diverso da quello osservato nell’esperimento. Qui gli scienziati hanno ricreato condizioni talmente estreme da portare il materiale in un regime completamente diverso da quello che conosciamo nella vita quotidiana.
Il vero risultato della ricerca, quindi, non è soltanto aver dimostrato che anche il diamante può fondere.
È aver osservato come il carbonio si comporta quando pressione, temperatura e tempo vengono spinti ai limiti, fornendo nuovi dati che possono essere utilizzati per comprendere la materia all’interno dei pianeti e migliorare i modelli della fusione nucleare.
In altre parole, per qualche miliardesimo di secondo, un piccolo diamante terrestre è diventato una finestra su alcuni degli ambienti più estremi dell’Universo.
Foto di Carlos Rocha da Pixabay
