Carbone, le quatrième élément le plus abondant de l'univers, est un élément constitutif de toute vie connue et un matériau qui se trouve à l'intérieur des exoplanètes riches en carbone.

Des décennies d'intenses recherches menées par des scientifiques ont montré que la structure cristalline du carbone a un impact significatif sur ses propriétés. En plus du graphite et du diamant, les structures carbonées les plus courantes trouvées aux pressions ambiantes, les scientifiques ont prédit plusieurs nouvelles structures de carbone qui pourraient être trouvées à des pressions supérieures à 1, 000 gigapascals (GPa). Ces pressions, environ 2,5 fois la pression dans le noyau de la Terre, sont pertinentes pour la modélisation des intérieurs d'exoplanètes mais ont été impossibles à réaliser en laboratoire.

C'est-à-dire, jusqu'à maintenant. Dans le cadre du programme Discovery Science, qui permet aux scientifiques universitaires d'accéder à la National Ignition Facility (NIF) phare de LLNL, une équipe internationale de chercheurs dirigée par le LLNL et l'Université d'Oxford a réussi à mesurer le carbone à des pressions atteignant 2, 000 GPa (5 fois la pression dans le noyau terrestre), doublant presque la pression maximale à laquelle une structure cristalline n'a jamais été directement sondée. Les résultats ont été communiqués aujourd'hui dans La nature .

"Nous avons découvert que, étonnamment, dans ces conditions le carbone ne se transforme en aucune des phases prédites mais conserve la structure du diamant jusqu'à la pression la plus élevée, " a déclaré Amy Jenei, physicienne du LLNL, auteur principal de l'étude. "Les mêmes liaisons interatomiques ultra-fortes (nécessitant des énergies élevées pour se rompre) qui sont responsables de la structure métastable en diamant du carbone persistant indéfiniment à pression ambiante entravent probablement également sa transformation au-dessus de 1, 000 GPa dans nos expérimentations."

Le volet académique de la collaboration a été dirigé par le professeur d'Oxford Justin Wark, qui a salué la politique de libre accès du Lab.

"Le programme NIF Discovery Science est extrêmement bénéfique pour la communauté universitaire, ", a-t-il déclaré. "Cela permet non seulement aux professeurs établis de présenter des propositions d'expériences impossibles à faire ailleurs, mais surtout donne aussi aux étudiants diplômés, qui sont les scientifiques chevronnés du futur, la chance de travailler sur une installation tout à fait unique."

L'équipe, qui comprenait également des scientifiques du Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester et de l'Université de York, a tiré parti de la puissance et de l'énergie exceptionnellement élevées du NIF et de la mise en forme précise des impulsions laser pour comprimer le carbone solide à 2, 000 GPa en utilisant des impulsions laser en forme de rampe. Cela leur a permis de mesurer la structure cristalline à l'aide d'une plate-forme de diffraction des rayons X et de capturer un instantané d'une nanoseconde du réseau atomique. Ces expériences doublent presque la haute pression record à laquelle la diffraction des rayons X a été enregistrée sur n'importe quel matériau.

Les chercheurs ont découvert que même lorsqu'ils sont soumis à ces conditions intenses, le carbone solide conserve sa structure en diamant bien au-delà de son régime de stabilité prédit, confirmant les prédictions selon lesquelles la force des liaisons moléculaires du diamant persiste sous une pression énorme. Il en résulte de grandes barrières énergétiques qui entravent la conversion en d'autres structures carbonées.

« Si la nature a trouvé un moyen de surmonter la barrière énergétique élevée à la formation des phases prédites à l'intérieur des exoplanètes est toujours une question ouverte, ", a déclaré Jenei. "Des mesures supplémentaires utilisant une voie de compression alternative ou à partir d'un allotrope de carbone avec une structure atomique qui nécessite moins d'énergie pour se réorganiser fourniront des informations supplémentaires."