永恒的硬度也有极限：钻石这样被融化
钻石，是自然界最坚硬的矿物，是永恒的象征，也是支撑着一个庞大产业的明星。但即使是这种看似无敌的声誉也有其极限。一项发表在《自然物理学》杂志上的新研究，首次以空前细致的方式观察了钻石在极端条件下的融化过程，解开了让实验物理学家和理论模拟争论了二十年的谜团。
由劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）物理学家马里乌斯·米洛特领导的团队，利用罗切斯特大学的OMEGA激光装置，通过冲击波压缩了微小的钻石样品。产生的压强高达600吉帕到1.8太帕，是地球核心压强的三倍以上，温度也超过了太阳表面。
谜团核心：比固态还重的液态
这场争议的源头可以追溯到本世纪初，当时LLNL的乔恩·埃格特等人进行的开创性实验。他们发现了一个奇特的现象：在极端压强下，钻石熔化后产生的液态碳，其密度竟然比固态的钻石还高，这与“冰浮于水”的常识相反。这个发现本身是里程碑式的，但也带来了更多问题：实验室测得的熔点与最先进的量子模拟预测存在约20%的差异，始终无法吻合。
此外，模拟还预言了一种名为BC8的晶相可能会在钻石熔化前出现。这种假想中的材料比钻石还要坚硬，对设计超硬材料具有重要意义，但一直没有得到实验的直接证实。
实验：激光与十亿分之一秒
为了同时解决这两个问题，米洛特的团队用激光气化钻石样品的最外层，产生冲击波并将其压缩到目标压强范围。挑战在于要在十亿分之一秒的极短瞬间内完成测量，并获取X射线衍射、密度、温度和光学反射率等全部数据。
难度巨大，正如米洛特向《Science Alert》所解释的：“碳原子小而轻，散射的X射线信号非常微弱。”尽管如此，实验还是成功了。新的测量结果表明，在接近1太帕的压强下，钻石的熔点约为7300开尔文（约7000摄氏度），比此前的实验估计低了1000多度，并且这次与量子理论完美吻合。
没有BC8相：原子“卡”住的惊喜
第二个谜团也随之解开：在单次冲击压缩过程中，实验并未观察到显著的BC8相。尽管X射线仍检测到结晶物质，但原子始终保持着钻石特有的晶格结构。米洛特解释道：“样品没有足够的时间进行重组，只能被困在钻石结构中。” 这意味着熔化过程过快，根本来不及形成这种中间结构。
这一发现表明，BC8相并不是钻石熔化过程中的必经步骤，至少在所研究的条件下如此，从而推翻了一个在高压物理领域存在多年的假说。
意义何在？核聚变与行星研究
该发现的意义远不止于实验室和钻石本身。它首先应用于核聚变能。在LLNL的国家点火装置（NIF）中，研究人员使用微小的钻石胶囊来承载燃料，并用激光对其进行压缩，以寻求聚变点火。过去，工程师们必须使用相对较强的第一轮冲击来确保钻石被完全熔化。
有了新的熔点数据，就可以在不影响完全熔化的前提下，使用更慢的冲击波，这有助于提高燃料的可压缩性，从而可能形成更高密度的最终靶丸。研究人员的计算显示，这一调整可能将实验的能量增益提高两倍，前提是能够控制其他效率损失源。
另一方面，这些数据也为建立天王星和海王星等冰巨星内部模型提供了更精确的参考。自20世纪80年代以来，科学界就推测在这些行星内部，碳会结晶成钻石并沉降，形成“钻石雨”。虽然此次实验的压力高于这些行星内部预期，但新数据可帮助改进模拟，验证钻石在何种条件下稳定或熔化。
关键数据
- 期刊：《自然物理学》
- 机构：劳伦斯利弗莫尔国家实验室
- 压强：600吉帕 - 1.8太帕
- 事件持续时间：10亿分之一秒
- 实测熔点：7300开尔文（比先前估计低约1000开尔文）
- BC8相：实验未检测到