重磅！液態碳，Nature!

【科學背景】

液態碳的實驗室制備極為困難，需超過4000 K的溫度和數兆帕壓力，其性質對行星科學（如天王星/海王星磁場）、系外行星成分估算及先進材料合成（如納米金剛石、Q-碳）至關重要。傳統實驗方法（如靜態高壓裝置）難以直接觀測液態結構，動態壓縮技術（如激波壓縮）因缺乏原位X射線探測，僅能間接推斷液態存在。近年來，X射線自由電子激光器的應用為極端條件下液體結構的原位研究提供了可能。然而，液態碳的配位數、熔化線模型等仍存在理論爭議。

【創新成果】

針對以上問題，德國羅斯托克大學D. Kraus等研究人員在Nature上發表了題為“The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction”的論文，利用X射線自由電子激光器的原位X射線衍射技術，在約100萬大氣壓下精確測量了液態碳的結構。實驗結果表明，液態碳是一種具有瞬態鍵合且平均配位數約為4的復雜流體，與量子分子動力學（DFT-MD）模擬結果一致。該研究為理解宇宙中最豐富的元素之一——碳的液態行為提供了實驗基準，并驗證了其熔化線模型。實驗方法為研究極端條件下輕元素液體結構開辟了新途徑。

【數據概覽】

圖1 實驗裝置示意圖? 2025 Springer Nature Limited

圖2 沖擊壓縮玻璃碳的XRD圖? 2025 Springer Nature Limited

圖3 實驗所得液體結構的DFT-MD擬合? 2025 Springer Nature Limited

圖4 徑向分布函數及相圖? 2025 Springer Nature Limited

【科學啟迪】

該項研究通過實驗證實，在約100 GPa壓力下，液態碳是一種平均配位數約為4的復雜流體。DFT-MD模擬預測的結構與實驗數據高度吻合，表明該方法在高壓高溫條件下具有強大的預測能力。實驗結果表明，液態碳在熔化時的體積變化約為7%，與DFT-MD預測一致，且熔化熵和潛熱分別為20 J·mol?1·K?1和130 kJ·mol?1。這些數據為碳的相圖提供了關鍵基準，并支持了近期DFT-MD方程的狀態計算。未來實驗可通過提高數據積累效率，進一步研究極端條件下輕元素液體的結構，推動行星內部模型、系外行星分類、極端條件材料合成及聚變靶材設計等領域的發展。

原文鏈接：

?https://doi.org/10.1038/s41586-025-09035-6