摘要：在极端物理条件的探索中，科学家们刚刚实现了一个看似不可能的壮举——在实验室中成功观测并研究了液态碳。这种在自然界中极其罕见、存在时间仅有纳秒级的物质状态，被德国亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心和罗斯托克大学的国际研究团队通过革命性的实验技术首次完整记录。发表在
信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250911073208.htm
在极端物理条件的探索中，科学家们刚刚实现了一个看似不可能的壮举——在实验室中成功观测并研究了液态碳。这种在自然界中极其罕见、存在时间仅有纳秒级的物质状态，被德国亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心和罗斯托克大学的国际研究团队通过革命性的实验技术首次完整记录。发表在《自然》杂志上的这项突破性研究，不仅揭示了液态碳令人意外的类钻石结构特征，更为理解行星内部构造和未来核聚变技术奠定了重要基础。
液态碳的存在一直是材料科学领域的一个巨大谜团。在常压条件下，碳原子从固态直接升华为气态，完全跳过液相阶段。只有在极端高压和约4500摄氏度的高温环境中，碳才能维持液态——这是所有已知材料中最高的熔点条件。这种苛刻的物理条件使得传统实验方法完全无法应对，没有任何容器能够承受如此极端的温度和压力组合。
纳秒间的科学奇迹
研究人员首次能够通过实验测量液态碳。他们将高功率激光器与欧洲 XFEL 的超短 X 射线激光闪光灯相结合。图片来源：HZDR / M. Künsting
研究团队采用的解决方案堪称工程学和物理学的完美结合。他们利用位于德国汉堡附近的欧洲X射线自由电子激光器（European XFEL），结合英国科学技术设施委员会开发的高功率激光器DIPOLE100-X，创造了一个前所未有的实验平台。这套设备能够在纳秒级的时间窗口内，将固态碳样品瞬间转化为液态，并同时进行精密测量。
实验过程本身就是一场与时间的赛跑。DIPOLE100-X激光器发射的高能脉冲在碳样品中产生强烈的压缩波，在十亿分之一秒的时间内将材料液化。就在这转瞬即逝的瞬间，欧洲XFEL的超短X射线激光闪光精确照射样品，碳原子对X射线的散射形成了独特的衍射图案，如同指纹一般记录下液态碳中原子的精确排列方式。
这种测量技术的复杂性不仅体现在设备的精密程度上，更在于实验设计的巧妙性。每次实验持续时间虽然只有几秒钟，但研究人员需要重复进行数百次测量，每次都在略微不同的压力、温度条件下，或者改变X射线脉冲的延迟时间。通过将这些快照组合在一起，科学家们成功制作出了从固相到液相转变的完整"电影"，逐帧记录下碳原子在极端条件下的行为变化。
意外的结构发现
实验结果令研究团队感到惊讶。液态碳并非呈现出人们预期的简单无序结构，而是展现出了复杂的有序特征。测量数据显示，液态碳中的每个碳原子周围都有四个最近邻原子，这种配位结构与固态钻石remarkably相似，表明即使在液态下，碳原子之间仍然保持着某种程度的有序排列。
"这是我们第一次能够通过实验观察液态碳的结构，"该研究项目的碳工作组负责人、罗斯托克大学和HZDR的多米尼克·克劳斯教授解释道。"我们的实验证实了液态碳复杂模拟所做的预测。我们正在研究一种复杂的液体形式，类似于水，它具有非常特殊的结构特性。"
这种结构特征的发现具有深远的科学意义。它不仅验证了理论物理学家长期以来的预测，更重要的是揭示了碳在极端条件下的独特行为模式。液态碳的这种类钻石结构表明，即使在高温高压的液态环境中，碳原子仍然倾向于形成四面体配位，保持着与钻石晶格类似的局域有序性。
研究团队还成功精确确定了碳的真实熔点。此前，不同理论模型对碳熔点的预测存在显著差异，这种不确定性严重阻碍了相关科学研究的进展。通过直接实验测量，科学家们现在能够为碳的相变行为提供可靠的实验数据，为理论模型的验证和修正提供了关键依据。
从基础研究到实际应用
这项研究的影响远远超出了基础科学的范畴。液态碳在自然界中主要存在于行星内部的极端环境中，特别是在巨行星和超级地球的深层区域。准确理解液态碳的性质对于行星科学具有重要意义，它能帮助科学家们更好地模拟和理解行星内部的物质分布、热传导机制以及磁场生成过程。
在能源技术领域，这项研究对核聚变反应的发展具有重要价值。在某些核聚变反应堆设计中，碳材料可能面临极端的温度和压力条件，准确了解碳在这些条件下的行为对于反应堆的安全运行和效率优化至关重要。液态碳性质的明确有助于工程师们设计更可靠的聚变装置，推动清洁能源技术的发展。
此外，这项研究还为材料科学开辟了新的研究方向。通过理解碳在极端条件下的相变行为，科学家们可能发现制备新型碳材料的方法，这些材料可能具有独特的物理和化学性质，在航空航天、电子技术等领域具有潜在应用价值。
技术突破的更广阔意义
欧洲XFEL高能密度实验站负责人乌尔夫·扎斯特劳博士强调，这次偶极子实验开创了在高压条件下测量物质的新时代。"我们现在拥有了一个工具箱，可以在高度奇特的条件下以令人难以置信的细节表征物质。"
这套实验技术的成功应用意味着科学家们现在拥有了探索其他极端物质状态的强大工具。许多元素和化合物在极端条件下的行为仍然是未知的，这种激光压缩结合X射线散射的技术可能为揭示这些秘密提供关键手段。从基础物理学的角度来看，这种技术能够帮助我们理解物质在宇宙极端环境中的行为，如中子星表面、白矮星内部或者超新星爆发时的物质状态。
研究团队还指出，随着技术的不断改进，未来的实验效率将大幅提升。目前需要几个小时才能完成的实验，在自动控制和数据处理技术的帮助下，可能在几秒钟内就能获得结果。这种效率的提升将使得大规模的物质性质研究成为可能，为材料科学和物理学的发展提供强大的实验支撑。
这项研究不仅是科学技术上的突破，更代表了人类探索自然极限的不懈努力。通过创新的实验方法和精密的技术手段，科学家们成功捕捉到了自然界中最难以观测的物质状态之一，为我们理解物质世界的复杂性和多样性又增添了重要的一页。
来源：人工智能学家