原位 X 射线衍射解析液态碳结构及其在极端条件下的科学意义
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原位 X 射线衍射解析液态碳结构及其在极端条件下的科学意义
碳作为生命和有机化学的核心元素，其固态 allotrope（如金刚石、石墨）早已成为现代科技的基石，然而液态碳的世界却长期笼罩在神秘之中。长期以来，液态碳的结构和大部分物理性质几乎完全未知，这一空白不仅制约着我们对行星内部（如天王星、海王星的液态碳可能影响其磁场）、白矮星大气等天体物理现象的理解，也阻碍了先进碳材料（如碳纳米管、纳米金刚石）合成及惯性约束聚变等关键技术的发展。例如，在惯性约束聚变实验中，碳作为烧蚀层材料，其液态阶段的微观结构直接影响聚变产率，但此前缺乏直接的实验数据支撑。
为破解这些谜团，德国罗斯托克大学（Institut für Physik, Universität Rostock）等机构的研究人员开展了一项突破性研究。他们利用欧洲 X 射线自由电子激光装置（EuXFEL）的 DiPOLE 100-X 高能激光，对玻璃碳样品进行冲击压缩，同时借助 EuXFEL 的明亮 X 射线脉冲进行原位 X 射线衍射（XRD）测量，首次在约 100 万大气压（100 GPa）的极端高压条件下，精确测定了液态碳的原子结构。相关成果发表在《Nature》。
研究中用到的关键技术方法包括：激光驱动冲击压缩技术，通过 DiPOLE 100-X 激光产生冲击波使玻璃碳样品处于高压高温状态；原位 X 射线衍射技术，利用 EuXFEL 的 18 keV X 射线脉冲探测样品微观结构；速度干涉仪系统（VISAR），用于捕获冲击动力学并确定压力；密度泛函理论分子动力学（DFT-MD）模拟，与实验数据对比分析液态碳结构。
液态碳结构的实验观测与理论验证通过冲击压缩实验，研究人员观察到随着压力升高，玻璃碳的结构发生显著变化：76 GPa 左右开始出现金刚石结晶，106 GPa 时进入金刚石与液态碳共存状态，160 GPa 时完全转变为液态。原位 XRD 数据显示，液态碳的静态结构因子（S (k)）在金刚石晶体峰位置附近形成宽峰，表明存在瞬态键合。通过傅里叶变换得到的径向分布函数（g (r)）显示，液态碳的第一配位数为 3.78±0.15，平均约有四个近邻原子，这与 DFT-MD 模拟预测的 3.66±0.05 高度吻合，而简单的 Lennard-Jones 液体模型无法解释这一结构特征。
极端条件下的热力学参数与相图约束结合 DFT-MD 拟合，研究人员确定了液态碳的密度和温度参数。在固液共存阶段，金刚石密度为 3.91 g/cm³，液态碳密度约 3.62 g/cm³，体积变化约 7%，与 DFT-MD 预测的熔化曲线一致。通过 Clausius-Clapeyron 关系估算出熔化熵约为 20 J・mol⁻¹・K⁻¹，潜热约 130 kJ・mol⁻¹。在纯液态阶段（160 GPa），密度为 3.79 g/cm³，温度达 7314 K。这些数据为碳的熔化曲线提供了关键实验基准，尤其与近年 DFT-MD 计算结果高度一致，排除了部分近似模型的预测。
对行星科学与技术应用的启示该研究首次通过实验直接证实，液态碳在高压下呈现具有四面体配位特征的复杂流体结构，而非简单液体的密堆积状态。这一发现不仅填补了液态碳基础研究的空白，也为行星内部建模提供了关键参数 —— 例如，冰巨行星内部的液态碳可能通过其独特的电子结构影响行星磁场，而实验测得的结构参数可用于改进系外行星（如亚海王星）的成分估算模型。在技术层面，明确液态碳的瞬态结构有助于优化碳基烧蚀层材料设计，提升惯性约束聚变效率，同时为合成新型碳材料（如 BC-8 相）提供了新的路径指引。
研究结论表明，液态碳在极端条件下的复杂结构由金刚石晶格的瞬态键合主导，DFT-MD 模拟能够可靠预测其高压行为。这一成果不仅确立了原位 X 射线衍射在极端条件下研究轻元素液体结构的可行性，也为后续研究其他轻元素化合物（如氢、氦体系）的高压液态结构开辟了新方向。随着实验技术向更高重复频率（如 10 Hz）发展，未来有望进一步提升数据精度，推动行星科学、材料合成及聚变能源等领域的深度交叉创新。
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