钻石,世界上最坚硬的物质,它的熔点一直是一个谜,因为常压下它永远融化不成液体,加热到800度就哧一声烧了。 但8月13日,《自然·物理》发表的一项研究,却彻底揭开了这个世纪谜题。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)联合罗切斯特大学的研究团队,通过60束高能激光制造出地狱级的极端环境,人类历史上第一次在实验中准确测出了钻石的熔点:约7300开尔文(约7000℃ / 12680华氏度)! 是不是不可思议?比太阳表面温度(约5500℃)还要整整高出1500℃!而随着这个谜题的解开,可控核聚变也有望迎来更有希望的未来。 01、钻石是已知熔点最高的物质吗? 看到熔点7000度,很多朋友可能就自动脑补了:它是不是就是人类已知耐高温之王、熔点最高的物质了? 不是!在日常标准大气压(常压)下,钻石根本没有融化成“液态钻石水”的可能! 如果你把一颗昂贵的大钻石扔进普通火炉,只要加热到800℃左右,它体内的碳原子就会和氧气结合,直接“轰”的一声烧成二氧化碳气体,连一粒灰烬都不会剩下; 哪怕你把它放进绝对无氧的真空炉里隔绝空气加热,加热到1500℃左右,钻石内部的晶格也会因热震荡坍塌相变,退化为一堆黑黢黢的石墨,依然无法化成水。 物理学界公认的标准“常压熔点之王”,是金属元素中的钨(熔点约3422℃),以及人工合成的超高温陶瓷化合物——比如五元高熵碳化物(碳化钽铪等体系),常压熔点在4000℃左右。 而这次实验中钻石展现出的7000℃熔点,是在一个极度变态的附加前提下实现的:1太帕(1 TPa,约14500万磅每平方英寸)! 这个压力相当于我们脚下地球核心压力的整整3倍!正是靠着这股摧枯拉朽的蛮力,碳原子才没有在高温下炸裂或退化为石墨,而是被死死按住,直到温度逼近7300开尔文时,晶格才彻底崩溃坍塌为液态碳。 换句话说,它是“被超强引力级枷锁禁锢出来的极端高压熔点”,而不是日常状态下的耐火属性。 02、固态钻石竟像冰块一样漂浮 为了把钻石熬成液态,研究团队用上了美国核聚变研究的核心重器——罗切斯特大学的欧米茄(OMEGA)激光器。 一般的加热炉根本撑不住这种极境,科学家选择了一种近乎暴力的手段: 第一步,地狱激波瞬间压迫: 60束经过三倍频的351纳米紫外激光,瞬间聚焦倾泻在微型钻石靶体表面; 第二步,反冲力造就地心3倍极压: 激光瞬间将钻石表层物质彻底汽化,反冲产生的超音速冲击波像一把无形的重锤砸进钻石深处,在十亿分之一秒的极窄窗口里,直接打出了1太帕的惊天极压与7000℃的极端高温; 第三步,极限X射线抓拍: 在整块样品被炸成虚无前的短短1纳秒内,用高速X射线闪光精准切入,通过极度微弱的衍射信号,终于在原子尺度实锤:碳原子晶格从规则网格彻底解体为流体! 而比终结钻石熔点之谜更让人惊掉下巴的,是它融化时的物理反常表现: 在常人经验里,绝大部分固体(比如铁块、铜块、岩石)在融化成液体时,分子间距被热量拉大,密度会变小,所以固体掉进熔液里都会老老实实地沉底。 但在1太帕这种极端暴力的挤压下,钻石却展现出了一种极其诡异的特性:液态碳原子的堆叠方式,居然比原本致密严整的固态钻石晶格还要紧密! 这意味着,液态钻石的密度反过来超越了固态! 在自然界中,极少有物质具备这种反常膨胀特性,最典型的就是我们喝的水——冰的密度小于水,所以冰块会稳稳漂浮在水的表面。 把这个逻辑套进14500万磅每平方英寸的地狱里,一幅颠覆世界观的宏伟画面出现了:如果你把一块坚硬的固态钻石扔进翻滚沸腾的钻石熔液里,它居然会像冰块浮在威士忌里一样,稳稳漂在熔液上方! 这一发现,甚至让天文学界兴奋不已。天文学家很早之前就推测海王星、天王星这些富碳的冰巨星深处可能存在着倾盆而下的钻石雨甚至漂浮的钻石冰山;如今有了这组实打实的物理相图,人类终于不必飞往深空,就能在数学和物理底层精确还原那些遥远星球内部的壮丽奇景。 03、点燃人造太阳:聚变能量增益或涨3倍! 把钻石熬成水,绝对不仅仅是为了满足物理学家的好奇心。这项成果最震撼的落脚点,直接撞上了全人类梦寐以求的终极洁净能源——激光可控核聚变(人造太阳)。 很多朋友可能不知道,在美国国家点火装置(NIF)进行激光核聚变点火实验时,包裹着氘氚核燃料的那个只有几毫米大的微型靶丸,外壳正是用高纯度的人造多晶钻石打造的! 在点火的过程中,激光轰击靶丸,必须先把钻石外壳在极短时间内完全熔化成一层均匀致密的超临界流体,才能依靠反冲力将里面的核燃料向内对称挤爆,点燃核聚变火种;如果外壳熔化不彻底,哪怕残留有一丝微小的固态硬块,整个向内坍塌的内爆球体就会发生失稳扭曲,导致核聚变瞬间哑火。 过去就是因为钻石在极端条件下的真实熔点始终是个未知数,实验团队生怕钻石外壳化不透,在点火最初只能闭着眼睛用一记极其粗暴、极其沉重的高强度激光去硬砸。 然而,过猛的第一击,直接把
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