Cientistas conseguiram acompanhar o derretimento de diamantes submetidos a condições extremas e encontraram um resultado inesperado: mesmo sob uma pressão próxima de um terapascal (TPa), a estrutura cristalina característica do material permaneceu presente até o início da fusão.

A descoberta contraria previsões de que, sob tamanha pressão, o carbono deveria assumir antes outra estrutura cristalina, chamada BC8. O estudo, liderado por físicos do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), nos Estados Unidos, foi publicado em 13 de agosto na revista Nature Physics.

Como os cientistas derreteram o diamante

Para chegar ao resultado, os pesquisadores submeteram diamantes microcristalinos a ondas de choque com duração de nanossegundos. Durante o experimento, técnicas como difração de raios X, pirometria e velocimetria permitiram acompanhar mudanças na estrutura e nas propriedades do material.

Os dados apontaram evidências de derretimento perto de 7.300 kelvin, cerca de 7.027 °C, sob pressões próximas de um terapascal. Os pesquisadores também observaram uma pequena redução da temperatura de fusão conforme a pressão aumentava na faixa analisada.

O que o experimento descobriu

• Diamante resistiu à pressão: a estrutura cristalina permaneceu presente até pressões próximas de um terapascal.
• Fase prevista não apareceu: os pesquisadores não encontraram evidências da transformação relevante para a estrutura BC8 prevista por cálculos teóricos.
• Fusão ocorreu perto de 7.300 K: os resultados indicaram o derretimento do material em torno de 7.027 °C.
• Temperatura de fusão caiu ligeiramente: perto dos 7.300 K, o ponto de fusão diminuiu um pouco à medida que a pressão aumentou.
• Resultado ajuda a resolver uma divergência: os novos dados aproximam experimentos e simulações sobre o comportamento do carbono em condições extremas.

Por que o diamante não mudou de estrutura?

A BC8 é prevista por cálculos de física quântica como uma fase termodinamicamente estável do carbono em pressões próximas ou superiores a um terapascal. Experimentos anteriores, porém, já mostravam que o diamante pode permanecer em sua estrutura tradicional muito além do limite previsto.

Uma das explicações está na força das ligações entre os átomos de carbono. Como a compressão acontece em apenas nanossegundos, a reorganização necessária para formar outra estrutura pode não ocorrer antes que o material comece a derreter.

Compreender como o carbono se comporta sob pressões tão elevadas pode ajudar na construção de modelos mais precisos sobre o interior de planetas, onde a matéria é submetida a condições extremas.

Os resultados também têm implicações para pesquisas de fusão nuclear por confinamento inercial, nas quais diamantes podem ser utilizados em cápsulas comprimidas por lasers. Conhecer melhor o processo de fusão do material pode contribuir para simulações voltadas ao aumento do ganho de energia em experimentos de fusão.