Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Rostock und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat erstmals die Struktur von flüssigem Kohlenstoff untersucht. Diese bahnbrechende Forschung wurde mit dem Hochleistungslaser DIPOLE 100-X am European XFEL durchgeführt und in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Flüssiger Kohlenstoff spielt eine entscheidende Rolle für Technologien wie die Kernfusion und findet sich im Inneren von Planeten. Ungewöhnlich ist, dass Kohlenstoff bei Normaldruck nicht schmilzt, sondern direkt in den gasförmigen Zustand übergeht. Erst unter extrem hohem Druck und Temperaturen von etwa 4.500 Grad Celsius wird Kohlenstoff flüssig. Die Forscher verwendeten Laserkompression, um festen Kohlenstoff für Nanosekunden zu verflüssigen.
Innovative Messmethoden am European XFEL
Die Kombination des European XFEL mit dem DIPOLE 100-X-Laser ermöglicht neue Messmethoden, die bahnbrechende Fortschritte im Verständnis von Materialien unter Hochdruck bieten. Der European XFEL in Schenefeld bei Hamburg ist die größte Röntgenlaseranlage der Welt und wurde 2017 in Betrieb genommen. Die Einrichtung umfasst einen 3,4 Kilometer langen Tunnel, in dem supraleitende Linearbeschleuniger und Photonstrahlleitungen untergebracht sind.
Die hochintensive elektromagnetische Strahlung wird erzeugt, indem Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Mit diesen Röntgenstrahlen, deren Wellenlängen von 0,05 bis 4,7 nm reichen, ist die Anlage in der Lage, unter extremen Bedingungen präzise Messungen durchzuführen. Die Spitzenhelligkeit des European XFEL ist Milliarden Mal höher als die konventioneller Röntgenlichtquellen.
Ein bedeutender Fortschritt in der Materialforschung
Während des Experiments wurde die Probe mit einem ultrakurzen Röntgenlaserblitz beschossen, um die atomare Anordnung im flüssigen Kohlenstoff sichtbar zu machen. Aus den Messungen ergab sich, dass flüssiger Kohlenstoff eine ähnliche Struktur wie fester Diamant hat. Diese experimentelle Beobachtung ist ein bedeutender Fortschritt in der Materialforschung.
Die präzisen Messungen erlaubten es den Forschern, den Schmelzpunkt von flüssigem Kohlenstoff genau einzugrenzen, was für die Modellierung von Planetenkernen sowie für die Entwicklung von Kernfusionstechnologien von großer Bedeutung ist. Das Experiment wird mehrfach wiederholt, um einen Film des Übergangs zwischen der festen und der flüssigen Phase zu erstellen. Zukünftige Ergebnisse könnten dank verbesserter Steuerungs- und Datenverarbeitungstechnologien in wenigen Sekunden bereitgestellt werden.
Mit dieser Forschung beginnt ein neues Zeitalter für die Messung von Materialien unter Hochdruck, das das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff und seinen Verbindungen vertiefen könnte. Diese Fortschritte bringen nicht nur neue wissenschaftliche Erkenntnisse, sondern könnten auch weitreichende Anwendungen in der Technologie und Industrie ermöglichen.
