Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben nieuwe experimenten uitgevoerd naar het gedrag van diamant onder extreme druk en temperaturen. De resultaten, gepubliceerd in Nature Physics, tonen aan dat diamant drijft in vloeibaar koolstof, vergelijkbaar met hoe ijs in water drijft.
De belangrijkste bevindingen en implicaties zijn:
- Wetenschappelijke doorbraak: De experimentele resultaten zijn nu in lijn met kwantummechanische simulaties, waarmee een langdurig verschil in de voorspelde smelttemperaturen is opgelost.
- Energieopbrengst bij fusie: Voor traagheidsopsluiting-fusie (inertial confinement fusion) betekent dit dat tragere initiële schokken kunnen worden gebruikt, wat de maximale energieopbrengst potentieel kan verdrievoudigen.
- Planetaire inzichten: De data bieden een realistischere basis voor modellen over de interne structuur van ijsreuzen zoals Neptunus en Uranus, waar vermoedelijk 'diamanten regen' voorkomt.
Het onderzoek werd mogelijk gemaakt door lasergestuurde dynamische compressie-experimenten waarbij röntgendiffractie werd gebruikt om de atomaire structuur tijdens het smelten vast te leggen.
Smeltend diamant kan drievoudige fusiewinst ontsluiten en de geheimen van ijsreuzenplaneten onthullen
Diamant is meer dan een schitterende edelsteen — deze extreem harde vorm van koolstof vormt het pellet dat de brandstof omhult voor traagheidsopsluiting-fusie (inertial confinement fusion), en wetenschappers geloven dat het diep in ijsreuzenplaneten zoals Neptunus en Uranus naar beneden regent.
In beide gevallen wordt het materiaal blootgesteld aan enorme druk. Tot nu toe waren experimenten en simulaties het oneens over hoe het materiaal zich onder deze omstandigheden daadwerkelijk gedraagt.
In een nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Physics, documenteren onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hoe diamant smelt onder druk die drie keer groter is dan de omstandigheden in de kern van de aarde.
"We waren in staat om kleine diamantmonsters te nemen en deze te schokcomprimeren tot temperaturen die heter zijn dan het oppervlak van de zon en tot drukken die hoger zijn dan in het centrum van Neptunus en Uranus — en nog steeds de atomaire structuur, temperatuur, dichtheid en optische reflectiviteit konden meten," aldus auteur en LLNL-wetenschapper Marius Millot.
De studie lost twee langdurige tegenstrijdigheden in het vakgebied op en brengt experimentele resultaten eindelijk op één lijn met simulaties gebaseerd op kwantummechanica. De toepassing van deze bevindingen op traagheidsopsluiting-fusie zou de energiewinst kunnen verdrievoudigen, en het nieuwe begrip van de hogedrukfasen van diamant zou modellen van planetaire interieurs kunnen herzien.
Mysteries rondom het smelten
LLNL bestudeert het extreme gedrag van diamant al decennia. Labwetenschapper Jon Eggert en collega's pionierden ongeveer 20 jaar geleden met smeltexperimenten onder hoge druk, waarbij ze observeerden dat de dichtheid van diamant toenam bij het smelten.
"Hoewel dit ongebruikelijk is voor de meeste materialen, kennen we allemaal een voorbeeld van dit gedrag," zei LLNL-wetenschapper Marius Millot. "Vloeibaar water is dichter dan ijs, waardoor ijsblokjes drijven. De bevinding van Jon betekent dat diamant zou drijven in vloeibaar koolstof bij hoge druk."
Hoewel dat werk een mijlpaal in het vakgebied was, leidde het tot meer vragen. Eén vraag in het bijzonder hield de onderzoeksgemeenschap bezig: er was een verschil van ongeveer 20% tussen de geobserveerde en de voorspelde smelttemperaturen van diamant.
"Ongeacht wat de theoretici deden — zelfs met de meest geavanceerde computersimulatietechnieken — konden ze de experimenten niet reproduceren," zei Millot.
Bij Sandia National Laboratories onthulde het schokcomprimeren van kleine diamantmonsters met de extreme magnetische velden van de Z-machine nog een mysterie. De onderzoekers van Sandia verkregen experimentele aanwijzingen die suggereren dat diamant een extra stap zet op weg naar het smelten, waarbij het transformeert van diamant naar een andere kristallijne structuur voordat het uiteindelijk vloeibaar wordt. Simulaties stemden overeen met dit resultaat, maar niemand kon de atomaire structuur direct meten om dit te bevestigen.
Experimenten brengen resolutie
Om beide vragen aan te pakken, voerde het LLNL-team lasergestuurde dynamische compressie-experimenten uit bij het Laboratory for Laser Energetics (LLE) van de Universiteit van Rochester. Met behulp van de Omega Laser Facility vaporiseerden de wetenschappers de buitenste laag van een klein monster, waardoor een samentrekkende schokgolf door het diamanten binnenste raasde.
Het maken van gedetailleerde, ondubbelzinnige en nauwkeurige metingen tijdens de compressie was een ingewikkeld proces. De hogedruktoestanden waren kortstondig en duurden slechts een miljardste van een seconde. Het team moest alle cruciale informatie, waaronder röntgendiffractiegegevens die de atomaire structuur belichten, in dat kleine tijdsbestek vastleggen.
"Dit was de eerste keer dat schokgecomprimeerde diamant met röntgendiffractie werd onderzocht tot aan het smelten," zei Millot. "Deze metingen zijn extreem moeilijk omdat koolstof een klein en licht atoom is. Het verstrooit zeer weinig röntgenstralen, waardoor het signaal dat we moesten meten vrij zwak was."
Het LLE-team speelde een cruciale rol bij de ontwikkeling en het onderhoud van de verbeterde diagnostische instrumenten. Deze mogelijkheden leidden tot een nieuwe meting van de smelttemperatuur — een meting die bijna perfect overeenkwam met de simulaties en het gat van 20 jaar dichtte.
"Hoewel het frustrerend was om te ontdekken dat onze oorspronkelijke temperatuurmetingen meer dan 1.000 graden afweken, is het spannend om zo'n dramatische verbetering in datakwaliteit te zien met onze nieuwe diagnostiek," zei Eggert. "Nog beter is dat onze oorspronkelijke afleiding van het smelten nu direct is bevestigd met röntgendiffractie."
In tegenstelling tot de nieuwe, overeengekomen smelttemperatuur, vertelde het werk een ander verhaal dan de faseverandering die bij Sandia was aangewezen. De koolstof bleef in een diamantstructuur tot het moment van smelten en sloeg alle tussenfasen over.
"We denken dat dit komt omdat het monster geen tijd heeft om te veranderen wanneer het slechts een enkele schok ervaart. Het blijft 'gevangen' in de diamantstructuur," zei Millot.
Dat verschil zou cruciaal kunnen zijn voor toekomstige experimenten en simulaties over hoge energiedichtheid. Het suggereert dat de reactie van het materiaal afhangt van de exacte manier waarop de schok wordt toegepast, en niet alleen van druk en temperatuur.
Van fusiewinst tot diamanten regen
De nieuw gevonden overeenstemming tussen theorie en experiment heeft directe gevolgen voor onderzoek naar fusie-energie.
In experimenten met traagheidsopsluiting-fusie genereren krachtige lasers schokgolven die een klein diamantcapsule naar binnen drijven. De resulterende implosie comprimeert de fusiebrandstof in de capsule tot de extreme druk en temperaturen die nodig zijn voor fusie.
Het smelten van de diamant tot een uniforme, gladde vloeistof tijdens de initiële schok is cruciaal om imperfecties in de implosie te minimaliseren, die ervoor kunnen zorgen dat een fusiereactie mislukt. Om er zeker van te zijn dat de eerste schok de diamantcapsule doet smelten, gebruiken wetenschappers van de National Ignition Facility (NIF) bij LLNL gewoonlijk een relatief sterke eerste schok.
"Ons werk geeft aan dat we iets tragere initiële schokken kunnen gebruiken en nog steeds een volledig smelten van de diamant in onze NIF-implosies kunnen bereiken," zei Millot. "Dit is spannend, omdat een dergelijke tragere schok de fusiebrandstof samendrukbaarder maakt. Dat verhoogt op zijn beurt de maximale energieopbrengst die we kunnen behalen met dezelfde laserenergie."
Voorspellingen suggereren dat deze tragere schokken de energiewinst kunnen verdrievoudigen, mits andere degradatiemechanismen onder controle kunnen worden gehouden.
De bevindingen bieden ook planetaire wetenschappers een nieuw vertrekpunt. De interieurs van ijsreuzen zoals Neptunus en Uranus zijn in essentie onbereikbaar, dus vertrouwen onderzoekers op laboratoriumexperimenten en modellen om te gissen naar wat er onder het oppervlak gebeurt. Sommige studies suggereren dat ijsreuzenplaneten koolstof kunnen kristalliseren diep in hun binnenste, waarna het zou vallen en "diamanten regen" zou vormen. Omdat de experimenten het gedrag van diamant onderdrukken die hoger is dan die in ijsreuzen, bieden de nieuwste smeltgegevens een sterke basis voor realistischere voorspellingen over planetaire vorming en evolutie.
In de toekomst is het LLNL-team van plan de experimentele mogelijkheden van de NIF te benutten om het gedrag van diamant te bestuderen onder nog moeilijkere, ongekende extreme omstandigheden. Ze streven ernaar het begrip van de reactie van de diamantcapsule in latere stadia van de implosie te verfijnen en de grenzen van de stabiliteit van de diamantstructuur onder een reeks meervoudige schokgolven te identificeren.
Overige LLNL-auteurs zijn Federica Coppari, Amy Lazicki, Yong-Jae Kim, Otto Landen, Vladimir Smalyuk en Peter Celliers. LLNL's specialist in targetfabricage Renee Posadas en Eric Folsom van het HED Science Center Technology Facility droegen ook bij aan het werk. Deze studie werd ondersteund door het Laboratory Directed Research and Development-programma van LLNL.
13 augustus 2026
Smeltend diamant kan drievoudige fusiewinst ontsluiten en de geheimen van ijsreuzenplaneten onthullen
Diamant is meer dan een schitterende edelsteen — deze extreem harde vorm van koolstof vormt het pellet dat de brandstof omhult voor traagheidsopsluiting-fusie (inertial confinement fusion), en wetenschappers geloven dat het diep in ijsreuzenplaneten zoals Neptunus en Uranus naar beneden regent.
In beide gevallen wordt het materiaal blootgesteld aan enorme druk. Tot nu toe waren experimenten en simulaties het oneens over hoe het materiaal zich onder deze omstandigheden daadwerkelijk gedraagt.
In een nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Physics, documenteren onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hoe diamant smelt onder druk die drie keer groter is dan de omstandigheden in de kern van de aarde.
"We waren in staat om kleine diamantmonsters te nemen en deze te schokcomprimeren tot temperaturen die heter zijn dan het oppervlak van de zon en tot drukken die hoger zijn dan in het centrum van Neptunus en Uranus — en nog steeds de atomaire structuur, temperatuur, dichtheid en optische reflectiviteit konden meten," aldus auteur en LLNL-wetenschapper Marius Millot.
De studie lost twee langdurige tegenstrijdigheden in het vakgebied op en brengt experimentele resultaten eindelijk op één lijn met simulaties gebaseerd op kwantummechanica. De toepassing van deze bevindingen op traagheidsopsluiting-fusie zou de energiewinst kunnen verdrievoudigen, en het nieuwe begrip van de hogedrukfasen van diamant zou modellen van planetaire interieurs kunnen herzien.
Mysteries rondom het smelten
LLNL bestudeert het extreme gedrag van diamant al decennia. Labwetenschapper Jon Eggert en collega's pionierden ongeveer 20 jaar geleden met smeltexperimenten onder hoge druk, waarbij ze observeerden dat de dichtheid van diamant toenam bij het smelten.
"Hoewel dit ongebruikelijk is voor de meeste materialen, kennen we allemaal een voorbeeld van dit gedrag," zei LLNL-wetenschapper Marius Millot. "Vloeibaar water is dichter dan ijs, waardoor ijsblokjes drijven. De bevinding van Jon betekent dat diamant zou drijven in vloeibaar koolstof bij hoge druk."
Hoewel dat werk een mijlpaal in het vakgebied was, leidde het tot meer vragen. Eén vraag in het bijzonder hield de onderzoeksgemeenschap bezig: er was een verschil van ongeveer 20% tussen de geobserveerde en de voorspelde smelttemperaturen van diamant.
"Ongeacht wat de theoretici deden — zelfs met de meest geavanceerde computersimulatietechnieken — konden ze de experimenten niet reproduceren," zei Millot.
Bij Sandia National Laboratories onthulde het schokcomprimeren van kleine diamantmonsters met de extreme magnetische velden van de Z-machine nog een mysterie. De onderzoekers van Sandia verkregen experimentele aanwijzingen die suggereren dat diamant een extra stap zet op weg naar het smelten, waarbij het transformeert van diamant naar een andere kristallijne structuur voordat het uiteindelijk vloeibaar wordt. Simulaties stemden overeen met dit resultaat, maar niemand kon de atomaire structuur direct meten om dit te bevestigen.
Experimenten brengen resolutie
Om beide vragen aan te pakken, voerde het LLNL-team lasergestuurde dynamische compressie-experimenten uit bij het Laboratory for Laser Energetics (LLE) van de Universiteit van Rochester. Met behulp van de Omega Laser Facility vaporiseerden de wetenschappers de buitenste laag van een klein monster, waardoor een samentrekkende schokgolf door het diamanten binnenste raasde.
Het maken van gedetailleerde, ondubbelzinnige en nauwkeurige metingen tijdens de compressie was een ingewikkeld proces. De hogedruktoestanden waren kortstondig en duurden slechts een miljardste van een seconde. Het team moest alle cruciale informatie, waaronder röntgendiffractiegegevens die de atomaire structuur belichten, in dat kleine tijdsbestek vastleggen.
"Dit was de eerste keer dat schokgecomprimeerde diamant met röntgendiffractie werd onderzocht tot aan het smelten," zei Millot. "Deze metingen zijn extreem moeilijk omdat koolstof een klein en licht atoom is. Het verstrooit zeer weinig röntgenstralen, waardoor het signaal dat we moesten meten vrij zwak was."
Het LLE-team speelde een cruciale rol bij de ontwikkeling en het onderhoud van de verbeterde diagnostische instrumenten. Deze mogelijkheden leidden tot een nieuwe meting van de smelttemperatuur — een meting die bijna perfect overeenkwam met de simulaties en het gat van 20 jaar dichtte.
"Hoewel het frustrerend was om te ontdekken dat onze oorspronkelijke temperatuurmetingen meer dan 1.000 graden afweken, is het spannend om zo'n dramatische verbetering in datakwaliteit te zien met onze nieuwe diagnostiek," zei Eggert. "Nog beter is dat onze oorspronkelijke afleiding van het smelten nu direct is bevestigd met röntgendiffractie."
In tegenstelling tot de nieuwe, overeengekomen smelttemperatuur, vertelde het werk een ander verhaal dan de faseverandering die bij Sandia was aangewezen. De koolstof bleef in een diamantstructuur tot het moment van smelten en sloeg alle tussenfasen over.
"We denken dat dit komt omdat het monster geen tijd heeft om te veranderen wanneer het slechts een enkele schok ervaart. Het blijft 'gevangen' in de diamantstructuur," zei Millot.
Dat verschil zou cruciaal kunnen zijn voor toekomstige experimenten en simulaties over hoge energiedichtheid. Het suggereert dat de reactie van het materiaal afhangt van de exacte manier waarop de schok wordt toegepast, en niet alleen van druk en temperatuur.
Van fusiewinst tot diamanten regen
De nieuw gevonden overeenstemming tussen theorie en experiment heeft directe gevolgen voor onderzoek naar fusie-energie.
In experimenten met traagheidsopsluiting-fusie genereren krachtige lasers schokgolven die een klein diamantcapsule naar binnen drijven. De resulterende implosie comprimeert de fusiebrandstof in de capsule tot de extreme druk en temperaturen die nodig zijn voor fusie.
Het smelten van de diamant tot een uniforme, gladde vloeistof tijdens de initiële schok is cruciaal om imperfecties in de implosie te minimaliseren, die ervoor kunnen zorgen dat een fusiereactie mislukt. Om er zeker van te zijn dat de eerste schok de diamantcapsule doet smelten, gebruiken wetenschappers van de National Ignition Facility (NIF) bij LLNL gewoonlijk een relatief sterke eerste schok.
"Ons werk geeft aan dat we iets tragere initiële schokken kunnen gebruiken en nog steeds een volledig smelten van de diamant in onze NIF-implosies kunnen bereiken," zei Millot. "Dit is spannend, omdat een dergelijke tragere schok de fusiebrandstof samendrukbaarder maakt. Dat verhoogt op zijn beurt de maximale energieopbrengst die we kunnen behalen met dezelfde laserenergie."
Voorspellingen suggereren dat deze tragere schokken de energiewinst kunnen verdrievoudigen, mits andere degradatiemechanismen onder controle kunnen worden gehouden.
De bevindingen bieden ook planetaire wetenschappers een nieuw vertrekpunt. De interieurs van ijsreuzen zoals Neptunus en Uranus zijn in essentie onbereikbaar, dus vertrouwen onderzoekers op laboratoriumexperimenten en modellen om te gissen naar wat er onder het oppervlak gebeurt. Sommige studies suggereren dat ijsreuzenplaneten koolstof kunnen kristalliseren diep in hun binnenste, waarna het zou vallen en "diamanten regen" zou vormen. Omdat de experimenten het gedrag van diamant onderdrukken die hoger is dan die in ijsreuzen, bieden de nieuwste smeltgegevens een sterke basis voor realistischere voorspellingen over planetaire vorming en evolutie.
In de toekomst is het LLNL-team van plan de experimentele mogelijkheden van de NIF te benutten om het gedrag van diamant te bestuderen onder nog moeilijkere, ongekende extreme omstandigheden. Ze streven ernaar het begrip van de reactie van de diamantcapsule in latere stadia van de implosie te verfijnen en de grenzen van de stabiliteit van de diamantstructuur onder een reeks meervoudige schokgolven te identificeren.
Overige LLNL-auteurs zijn Federica Coppari, Amy Lazicki, Yong-Jae Kim, Otto Landen, Vladimir Smalyuk en Peter Celliers. LLNL's specialist in targetfabricage Renee Posadas en Eric Folsom van het HED Science Center Technology Facility droegen ook bij aan het werk. Deze studie werd ondersteund door het Laboratory Directed Research and Development-programma van LLNL.
13 augustus 2026
Groetjes,