突破技術難關，科學家首在實驗室製造液態碳並繪製微觀結構

科學家過去對液態碳的研究因極高熔點、難以企及的實驗條件而受限，直到日前透過 European XFEL 實驗，一個研究團隊首成功在瞬間高溫高壓條件下將固態碳轉換為液態碳，並獲得微觀結構圖。這項發現不僅對材料科學具重大意義，還有助工業技術、行星內部建模研究。

碳是宇宙最重要元素之一，材料學家已徹底研究固態碳（如石墨、金剛石）與氣態碳化合物形式，但液態碳一直是無法突破的技術難題，因為碳在常壓下加熱會直接升華成氣體，不經過液態階段，於高壓條件下碳又具所有已知材料最高熔點，需達 4,500℃ 才能進入液態，過去沒有任何容器能承受這種條件，因此也無法於實驗室重現液態碳。

但一種涉及 X 射線游離電子雷射脈衝的替代方法能將固態碳轉為液體碳幾奈秒。最近，德國羅斯托克大學、亥姆霍茲德勒斯登羅森多夫中心（HZDR）團隊成功利用歐洲 European XFEL 設施的 DIPOLE 100-X 高功率雷射、極短 X 射線雷射，於極端高溫高壓環境成功瓦解固態碳分子結構並轉為液態形式，獲得液態碳微結構詳細圖。

簡單來說，團隊先以 DIPOLE 100-X 高能雷射對固態碳樣品施加強壓縮波，形成極端高壓高溫環境瞬間產生液態碳，接著使用超短 X 射線脈衝獲得原子結構位，整個實驗在幾秒鐘重複多次，最後結合所有快照，讓研究人員得以追蹤碳從固體過渡至液體的第一階段。

測量結果表明，液態碳結構與固態金剛石相似，每個碳原子都與 4 個碳原子相鄰，與先前高壓理論預測相符。

液態碳能在行星內部找到，對核融合等未來技術也可能發揮重要作用，該成果對材料科學、工業技術、行星內部建模研究都具深遠影響，團隊下一步將更精確測量液態碳特性與行為，並研究不同環境條件下的穩定性。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。

• Structure of liquid carbon measured for the first time
• Liquid carbon reveals its secrets

（首圖來源：European XFEL）

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(责任编辑：黄河)