近日，一項關于液態碳的研究成果發表于《自然》雜志。物理學家利用同步輻射熔化玻璃碳并開展X射線結構分析，成功揭示了液態碳的結構特征，填補了該領域的研究空白。
在常規條件下，碳在大氣壓下并非液態，加熱后會直接由固態升華為氣態。而要獲得液態碳，需在幾兆帕的壓力和幾千開爾文的溫度環境下實現，這在技術層面極具挑戰。因此，液態碳的性質和結構此前實際上尚未得到研究。
不過，由羅斯托克大學的多米尼克·克勞斯(Dominik Kraus)領導的物理學家、化學家和晶體學家團隊，借助由DESY開發的歐洲X射線自由電子激光器(European XFEL)達成了這一研究目標。該激光器通過加速電子產生強大X射線，這對于研究由弱散射X射線的輕原子組成的物質結構至關重要。
為研究液態碳結構，科學家將玻璃碳樣本裝入特定裝置，隨后用兩束激光進行照射。其中，DiPOLE 100X二極管泵浦固體激光器產生納秒綠光脈沖，對樣品進行加熱并產生沖擊波，使樣品內部壓力急劇上升;X射線自由電子激光器則產生飛秒X射線脈沖，由兩個探測器記錄散射輻射。
實驗過程中，玻璃碳在加熱和加壓作用下先轉變為鉆石，隨后開始熔化。在160千兆帕的壓力和約7300開爾文的溫度條件下，科學家獲得了完全熔融的碳樣本。依據衍射圖，研究人員計算了結構因子和徑向分布函數。結果顯示，在液態碳中，如同在鉆石中一樣，每個原子都被四個最近的鄰居所包圍。
此次研究不僅使科學家成功熔化碳并探究其結構，所獲得的數據還與先前開展的量子化學計算結果高度吻合，該計算曾預測液態碳具有相同的配位數。此外，通過此次實驗，研究人員進一步完善了金剛石的相圖。
