Bilim insanları elması eritti! Sonuç herkesi şaşırttı

Soygun filmlerinde elmaslara sıklıkla "buz" denilse de bu iki katı maddenin gerçekte birbirleriyle neredeyse hiçbir ortak noktası yok. Atomlarının diziliş biçiminden oluşum süreçlerine kadar her şey farklı: elmas, yeraltının derinliklerinde muazzam basınç ve ısıyla şekillenirken buz soğukla meydana geliyor. Yüzeysel bir benzerlik taşımalarına karşın bu denli köklü farklılıklara sahip iki madde bulmak gerçekten güç. İşte tam da bu yüzden, Dünya üzerinde doğal yollarla oluşan bilinen en sert mineral olan elmasın eriyebildiğini duymak çoğu kişiyi şaşırtabilir. Üstelik elmas bunu bile son derece tuhaf bir biçimde gerçekleştiriyor.

LLNL fizikçileri elmasın erime sürecini yeniden inceledi

ABD'deki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndan (LLNL) fizikçi Marius Millot'nun önderliğindeki bir araştırma ekibi, elmasın erime davranışını detaylı şekilde inceledi. Elde edilen bulgulara göre elmas, tam olarak eridiği ana kadar bilinen kübik kristal yapısını koruyor. Erime noktasına ulaşıldığında ise karbon atomları aniden düzensiz bir hale geçiyor. Millot bu durumu şöyle açıkladı: "Bunun sebebinin, numunenin yalnızca tek bir şok yaşadığında değişmek için yeterli zamana sahip olmaması olduğunu düşünüyoruz. Elmas yapısında adeta sıkışıp kalıyor." Bu gözlem, elmasın erime sürecinin daha önce varsayılandan çok daha karmaşık bir mekanizmaya sahip olduğunu ortaya koydu.

Elması eritme deneyleri: 750 gigapaskaldan 1,8 terapaskala

Bir elması eritmek hiç de kolay bir iş değil, ancak yıllar içinde birkaç farklı deney bunu başardı. 2007 yılında bir bilim insanları grubu, lazer kullanarak 750 gigapaskal basınçta oluşturdukları şok dalgasıyla elması eritmeyi başardıklarını duyurdu. Bu basınç düzeyi, Dünya'nın iç çekirdeğindeki ortam basıncının iki katından fazlasına ve deniz seviyesindeki atmosferik basıncın tam 7,4 milyon katına karşılık geliyor. LLNL fizikçisi Jon Eggert'ın liderliğinde 2009'da yayımlanan bir makalede ise elmasın erime sıcaklığı ilk kez doğrudan ölçüldü. Ancak teorik hesaplamalar ilerledikçe ciddi bir sorun belirdi: deneysel olarak ölçülen erime sıcaklığı, kuantum-mekanik tahminlerden yaklaşık yüzde 20 oranında farklılık gösteriyordu. Millot bu çelişkiyi şu sözlerle ifade etti: "Teorisyenler ne yaparsa yapsın, en gelişmiş bilgisayar simülasyon teknikleriyle bile deneyleri yeniden üretemiyorlardı."

BC8 karbon fazı tartışması: Teori mi haklı, deney mi?

Bu arada yanıtsız kalan bir başka kritik soru daha vardı. Teorik modeller, yaklaşık bir terapaskal basınç seviyesinde elmasın sıkı biçimde düzenlenmiş atomik kafesinin tamamen erimeden önce geçici olarak BC8 adı verilen farklı bir karbon formuna dönüşmesi gerektiğini öngörüyordu. Daha önceki deneyler, 900 gigapaskalın üzerindeki basınçlarda bu geçişin kanıtı olarak bile yorumlanmıştı. Buna karşın daha yeni simülasyonlar, hızlı sıkıştırma koşullarında BC8 fazı oluşturmanın son derece zor olabileceğini ileri sürdü. 2009'daki çalışma 1,1 terapaskala kadar basınçlarda elmas erimesini göstermiş olsa da deney, öngörülen BC8 fazının gerçekten ortaya çıkıp çıkmadığını belirleyecek hassasiyete sahip değildi. Ancak o deneylerden bu yana, bu tür geçici ve aşırı koşullar altında maddeyi izleme teknolojisi kayda değer ölçüde ilerledi. Bu gelişmeler üzerine Millot ve ekibi konuya bir kez daha eğilmeye karar verdi.

Rochester Üniversitesi'ndeki OMEGA Lazer Tesisi'nde kritik deney

Araştırmacılar, Rochester Üniversitesi bünyesindeki OMEGA Lazer Tesisi'ni kullanarak deneylerini gerçekleştirdi. Güçlü lazer darbeleri aracılığıyla küçük elmas numuneler boyunca şok dalgaları gönderildi ve 600 gigapaskal ile 1,8 terapaskal arasında değişen basınçlar yaratıldı. Ekip aynı anda şokun hareket hızını, elmasın ulaştığı sıcaklığı ve yansıtıcılık düzeyini ölçtü. Kritik bir adım olarak kristal yapının nasıl değiştiğini gözlemlemek için X-ışınları kullanıldı. Millot bu deneysel başarıyı şöyle anlattı: "Küçük elmas numuneleri alıp onları Güneş'in yüzeyinden daha sıcak sıcaklıklara ve Neptün ile Uranüs'ün merkezinden daha yüksek basınçlara şok sıkıştırabiliyorduk. Üstelik atomik yapıyı, sıcaklığı, yoğunluğu ve optik yansıtıcılığı ölçmeyi de başardık." Bu ifadeler, deneyin ne denli zorlu koşullarda ve ne kadar hassas ölçümlerle yürütüldüğünü gözler önüne seriyor.

Elmasın erime sıcaklığı 7.300 Kelvin olarak belirlendi

Yeni ölçümler, yıllardır süregelen sıcaklık uyumsuzluğu sorununu nihayet çözdü. Ekip, elmasın erime sıcaklığını yaklaşık 7.300 Kelvin ve 1 terapaskal basınç olarak belirledi. Bu değer, eski deneysel ölçümlerden belirgin biçimde daha düşük çıktı ve daha önce deneylerle bir türlü örtüşmeyen teorik hesaplamalarla güçlü bir uyum sergiledi. Eggert bu sonucu değerlendirirken şunları söyledi: "Orijinal sıcaklık ölçümlerimizin 1.000 dereceden fazla sapma gösterdiğini keşfetmek sinir bozucu olsa da yeni teşhislerimizle veri kalitesinde böylesine dramatik bir iyileşme görmek heyecan verici." Bu düzeltme, elmas eritme deneylerinin güvenilirliğini önemli ölçüde artırdı ve karbon fiziği alanındaki modellerin yeniden kalibre edilmesine olanak tanıdı.