Elmaslar popüler kültürde "buz" olarak anılsa da, bu iki katı maddenin aslında pek de ortak noktası bulunmuyor. Atomlarının dizilişinden, oluşum süreçlerine kadar (elmas için derin yer kabuğunda yoğun basınç ve ısı, buz içinse soğuk), yüzeysel bir benzerlik taşırken bu denli belirgin farklılıklara sahip iki madde bulmak zor. Bu nedenle, Dünya üzerindeki bilinen en sert doğal mineral olan elmasın eriyebileceği gerçeği sizi şaşırtabilir.
Ancak bu erime süreci bile oldukça tuhaf bir şekilde gerçekleşiyor. ABD'deki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndan (LLNL) Marius Millot liderliğindeki bir fizikçi ekibi, elmasın bildiğimiz elmas kristal yapısını, erime noktasına kadar koruduğunu, tam eridiği anda ise atomlarının düzensiz bir hale büründüğünü ortaya koydu.
Millot, bu durumun nedeninin, örneğin yalnızca tek bir şok etkisi altında kaldığında, malzemenin değişmek için yeterli zamana sahip olmaması olduğunu düşünüyor. "Elmas yapısı içinde 'hapsolmuş' kalıyor" diye açıklıyor.
Elmas eritmek pek de kolay bir iş olmasa da, yıllar içinde çeşitli deneylerle bu başarıldı. 2007'de bir grup bilim insanı, elması şok dalgasıyla parçalayan bir lazer kullanarak eritmeyi başardıklarını bildirdi. Bu şok dalgasının uyguladığı basınç, Dünya'nın iç çekirdeğindeki ortalama basıncın iki katından ve deniz seviyesindeki atmosfer basıncının 7.4 milyon katından daha fazlaydı.
2009 yılında yayımlanan ve LLNL fizikçisi Jon Eggert'in liderliğindeki takip deneyleri, elmasın erime noktasını doğrudan ölçtü. Ancak teorik hesaplamalar geliştikçe bir sorun ortaya çıktı: Deneysel erime sıcaklığı, kuantum mekaniksel tahminlerden yaklaşık %20 oranında farklılık gösteriyordu.
Millot, "Teorisyenler ne yaparsa yapsınlar, en gelişmiş bilgisayar simülasyon tekniklerini dahi kullansalar, deneyleri tekrarlayamadılar" diyor. Bu arada, bir başka soru da yanıtsız kalıyordu. Teoriye göre, yaklaşık 1 terapascal basınçta, elmasın sıkı düzenlenmiş atomik kafesinin, tamamen erimeden önce geçici olarak BC8 adı verilen bir karbon formuna dönüşmesi gerekiyordu. Önceki deneyler bile 900 gigapaskalın üzerindeki bu geçişe dair kanıtlar olarak yorumlanmıştı.
Ancak yeni simülasyonlar, BC8'in oluşmasının hızlı sıkıştırma sırasında çok zor olabileceğini öne sürdü. 2009'daki deneyler, 1.1 terapaskala kadar elmasın eridiğini gösterse de, deneyin hassasiyeti öngörülen BC8 fazının bu süreçte görünüp görünmediğini belirlemek için yeterli değildi.
Bu deneylerden bu yana, bu kadar kısa süreli aşırı koşullar altındaki maddeyi izleme teknolojisi önemli ölçüde gelişti. Bu nedenle Millot ve ekibi tekrar denedi. Rochester Üniversitesi'ndeki OMEGA Lazer Tesisi'ni kullanarak, araştırmacılar güçlü lazer darbeleriyle küçük elmas örneklerine şok dalgaları uygulayarak 600 gigapaskal ile 1.8 terapaskal arasında basınçlar oluşturdular. Aynı zamanda, ekibin hareket eden şokun hızını, elmasın ne kadar ısındığını ve yansıtıcı olduğunu ve en önemlisi, kristal yapının nasıl değiştiğini gözlemlemek için X-ışınları kullandılar.
Millot, "Küçük elmas örneklerini alıp, Güneş'in yüzeyinden daha sıcak sıcaklıklara ve Neptün ile Uranüs'ün merkezinden daha yüksek basınçlara şokla sıkıştırabildik ve hala atomik yapıyı, sıcaklığı, yoğunluğu ve optik yansıtıcılığı ölçebildik" diye belirtiyor.
Yeni ölçümler, sıcaklık sorununu çözdü. Elmasın erime sıcaklığını, eski deneysel ölçümlerden önemli ölçüde daha düşük ve daha önce sonuç vermeyen teorik hesaplamalarla iyi uyum sağlayan yaklaşık 7.300 Kelvin ve 1 terapaskal olarak belirlediler. Eggert, "Orijinal sıcaklık ölçümlerimizin 1.000 dereceden fazla hatayla yanlış olduğunu keşfetmek sinir bozucu olsa da, yeni teşhislerimizle veri kalitesinde böylesine dramatik bir gelişme görmek heyecan verici" diyor.
X-ışınları, elmasın erirken kristal yapısına ne olduğunu da ortaya çıkardı; ve işte burada işler gerçekten ilginçleşiyor. Araştırmacılar basıncı artırdıkça, elmasın X-ışını kırınım sinyali giderek zayıfladı, bu da erirken kristal elmasın giderek azaldığını ve tamamen kaybolana kadar devam ettiğini gösteriyordu.
Ancak atomik bir yapının hala tespit edilebildiği sürece, bu yapı bilinen kübik kristal kafes halinde kaldı. Araştırmacılar, önemli bir BC8 fazı bulamadılar; erime tamamlanana kadar katı elmas ve sıvı karbon basitçe bir arada bulundu. Bunun, önceki simülasyonların önerdiği mekanizmalar nedeniyle olabileceğini öne sürüyorlar. Bu basınçlarda karbonun BC8 fazını tercih etse bile, bunu başarabilmek için elmasın aşırı güçlü karbon bağlarını kırmak ve yeniden düzenlemek gerekiyor ki bu enerji açısından zorlu bir süreç.
Deneyin kısa süreli koşulları altında, elmasın dönüşüm gerçekleşmeden eridiği görülüyor. Ve tuhaf bir şekilde, tam da burada elmas buz gibi davranmaya başlıyor. Bu aşırı basınçlar altında katı elmas, eridiği sıvı karbondan daha az yoğundur; tıpkı sıradan buzun sıvı sudan daha az yoğun olması gibi. Bu, katı elmasın erimiş karbon havuzunda yüzebileceği anlamına gelir. Ayrıca başka bir karşı sezgisel etki de yaratıyor: Erime aralığının bir bölümünde, basıncı artırmak aslında elmasın eridiği sıcaklığı düşürüyor.
Tüm bunlar gerçekten ilginç ve tuhaf olsa da pratik uygulamalara da sahip. Bu tür deneyler, Uranüs ve Neptün gibi buz devlerinin iç kısımları hakkında bilgi verebilir; zira bu gezegenlerde karbon, deneyde yeniden yaratılan basınç ve sıcaklık koşullarına benzer koşullara maruz kalabilir.
Daha yakın bir zamanda ise, elmas, ataletsel hapsolma füzyon deneylerinde hedefler için kullanılıyor; burada yakıt kapsülleri benzer şekilde büyük basınçlar altında sıkıştırılıyor. Bu hedefler patladıkça karbonun nasıl davrandığına dair daha doğru bilgi, füzyon deneylerinin tasarımında kullanılan bilgisayar modellerini iyileştirebilir. Yapılan simülasyonlarda, güncellenmiş karbon modeliyle, öngörülen füzyon enerji kazancının üçe katlanabileceği bulundu.
Millot, "Çalışmamız, NIF patlamalarımızda elmasın tam erimesini sağlamak için daha yavaş ilk şokları kullanabileceğimizi gösteriyor. Bu heyecan verici çünkü böyle daha yavaş bir şok, füzyon yakıtını daha sıkıştırılabilir hale getirecektir. Bu da aynı lazer enerjisiyle elde edebileceğimiz maksimum enerji verimini artırır" diyor. Araştırma Nature Physics dergisinde yayımlandı.
