Kol, det fjärde mest förekommande elementet i universum, är en byggsten för allt känt liv och ett material som sitter i det inre av kolrika exoplaneter.

Årtionden av intensiva undersökningar av forskare har visat att kolets kristallstruktur har en betydande inverkan på dess egenskaper. Förutom grafit och diamant, de vanligaste kolstrukturerna som finns vid omgivande tryck, forskare har förutspått flera nya strukturer av kol som kan hittas vid tryck större än 1, 000 gigapascal (GPa). Dessa påtryckningar, ungefär 2,5 gånger trycket i jordens kärna, är relevanta för modellering av exoplanetinteriörer men har varit omöjliga att uppnå i laboratoriet.

Det är, tills nu. Under Discovery Science-programmet, som ger akademiska forskare tillgång till LLNL:s flaggskepp National Ignition Facility (NIF), ett internationellt team av forskare under ledning av LLNL och University of Oxford har framgångsrikt mätt kol vid tryck som når 2, 000 GPa (5 gånger trycket i jordens kärna), nästan en fördubbling av det maximala tryck vid vilket en kristallstruktur någonsin har undersökts direkt. Resultaten rapporterades idag i Natur .

"Vi upptäckte att förvånande, under dessa förhållanden omvandlas kol inte till någon av de förutsagda faserna utan bibehåller diamantstrukturen upp till det högsta trycket, " sa LLNL fysiker Amy Jenei, huvudförfattare på studien. "Samma ultrastarka interatomära bindningar (kräver höga energier för att bryta) som är ansvariga för att den metastabila diamantstrukturen av kol kvarstår på obestämd tid vid omgivande tryck hindrar sannolikt också dess omvandling över 1, 000 GPa i våra experiment."

Den akademiska delen av samarbetet leddes av Oxford Professor Justin Wark, som berömde labbets policy för öppen tillgång.

"NIF Discovery Science-programmet är oerhört fördelaktigt för det akademiska samhället, ", sa han. "Det ger inte bara etablerade fakulteter chansen att lägga fram förslag på experiment som skulle vara omöjliga att göra någon annanstans, men framför allt ger doktorander, vilka är framtidens seniora vetenskapsmän, chansen att arbeta på en helt unik anläggning."

Teamet – som också inkluderade forskare från University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE) och University of York – utnyttjade NIF:s unika höga kraft och energi och exakta laserpulsformning för att komprimera fast kol till 2, 000 GPa med rampformade laserpulser. Detta gjorde det möjligt för dem att mäta kristallstrukturen med hjälp av en röntgendiffraktionsplattform och fånga en ögonblicksbild av nanosekunders varaktighet av atomgittret. Dessa experiment fördubblar nästan det rekordhöga trycket vid vilket röntgendiffraktion har registrerats på något material.

Forskarna fann att även när de utsätts för dessa intensiva förhållanden, fast kol behåller sin diamantstruktur långt bortom dess förutspådda stabilitet, bekräftar förutsägelser om att styrkan hos de molekylära bindningarna i diamant kvarstår under enormt tryck. Detta resulterar i stora energibarriärer som hindrar omvandling till andra kolstrukturer.

"Om naturen har hittat ett sätt att övervinna den höga energibarriären för bildandet av de förutsagda faserna i exoplaneternas inre är fortfarande en öppen fråga, "Jenei sa. "Ytterligare mätningar med hjälp av en alternativ kompressionsväg eller utgående från en allotrop av kol med en atomstruktur som kräver mindre energi för att omorganisera kommer att ge ytterligare insikt."