Flüssiger Kohlenstoff – selten, aber bedeutend

Flüssiger Kohlenstoff spielt sowohl für das Verständnis des Inneren von Planeten als auch für zukunftsweisende Technologien wie die Kernfusion eine zentrale Rolle. Bisher war über diesen Zustand jedoch nur wenig bekannt, da er im Labor kaum herzustellen ist. Kohlenstoff besitzt den höchsten bekannten Schmelzpunkt aller Materialien – etwa 4.500 Grad Celsius – und geht bei Normaldruck direkt in die Gasphase über. Herkömmliche Behältermaterialien können diesem Zustand nicht standhalten.

Ein Lösungsansatz: die Laserkompression. Sie ermöglicht es, festen Kohlenstoff für Sekundenbruchteile in einen flüssigen Zustand zu überführen. Genau dieses kurze Zeitfenster wurde für die nun veröffentlichte Messung genutzt – mithilfe der ultrakurzen Pulse des weltweit leistungsfähigsten Röntgenlasers, dem European XFEL in Schenefeld bei Hamburg.

Laser und Röntgenpuls im Zusammenspiel

Für den Erfolg entscheidend war die einzigartige Kombination des Hochleistungslasers DIPOLE100-X, entwickelt vom britischen Science and Technology Facilities Council, mit den Messmöglichkeiten des European XFEL. Ermöglicht wurde dies durch das HIBEF-Nutzerkonsortium (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields), das Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit Zugang zu den Instrumenten bietet.

An der Experimentierstation HED-HIBEF (High Energy Density) konnten Forschende erstmals leistungsstarke Laserkompression mit ultraschneller Röntgenanalytik und großflächigen Röntgendetektoren kombinieren.

Die Methode: Der DIPOLE100-X-Laser erzeugt hochenergetische Pulse, die Kompressionswellen durch eine feste Kohlenstoffprobe schicken und diese für Nanosekunden verflüssigen. In diesem minimalen Zeitfenster trifft ein ultrakurzer Röntgenlaserblitz des XFEL auf die Probe. Die Ablenkung des Röntgenlichts – analog zur Lichtbeugung an einem Gitter – erzeugt ein Beugungsmuster, das Rückschlüsse auf die atomare Struktur im flüssigen Zustand zulässt.

Einzelne Experimente dauern nur Sekunden, werden aber vielfach wiederholt – mit jeweils leicht veränderten Parametern. Aus diesen Einzelaufnahmen entsteht ein detaillierter Film des Phasenübergangs von fest zu flüssig.

Neue Erkenntnisse zur Struktur und zum Schmelzpunkt

Das Ergebnis: Flüssiger Kohlenstoff zeigt eine wasserähnliche Struktur mit vier nächsten Nachbarn – ähnlich wie Diamant.