Grafit ve elmas gibi iyi bilinen katı karbon formlarının aksine yalnızca gezegenlerin derinliklerinde veya füzyon reaktörlerinde bulunan son derece yüksek sıcaklık ve basınçlarda gözlemlenebilen sıvı karbon, D. Kraus yönetimindeki bir grup tarafından deneysel olarak ilk defa gözlemlendi. Avrupa X-Işını Serbest Elektron Lazer Tesisi’nde (EuXFEL) gelişmiş enstrümanlar kullanarak gerçekleştirilen bu deney, sıvıların doğasıyla ilgili genel kanıya meydan okuyan çıktılar üretti.
Yaşamın Yapıtaşı Karbona Açılan Yeni Pencere
Nature dergisinde yayınlanan çarpıcı çalışmada, karbon örneklerini 7 bin K’in üzerindeki sıcaklıklarda ve 160 GPa’dan daha yüksek basınçlarla sıkıştırmak için yüksek enerjili lazer darbeleri kullanıldı. Karbon erirken, numunenin atomik düzenini test etmek için ultra hızlı X-ışını darbeleri kullanıldı. Araştırmacılar, in situ (Bir şeyin tam olarak yerinde incelendiğini anlatmak için kullanılır) X-ışını kırınımı olarak bilinen bir teknik sayesinde, karbonun genleşmeye ve soğumaya başlamasından sadece nanosaniyeler önce sıvının iç yapısını gerçek zamanlı olarak gözlemleyebildi. Buldukları şey şaşırtıcıydı: sıvı karbon düzensiz bir atom çorbası olmak yerine geçici kovalent bağlar kuran karmaşık bir ağ oluşturuyordu. Her atom için komşu sayısı yaklaşık olarak dörttü, bu da elmasta olana benzer bir kovalent bağın sıvı halde bile devam ettiğini gösteriyordu. Tipik olarak rastgele çarpışmaların ve zayıf moleküller arası etkileşimlerin hakim olduğu sıradan sıvıların aksine bu bağların, sürekli oluşup yıkılmalarına rağmen sıvıya belirgin bir iç düzen verdiği düşünülüyor.
Araştırmacılar ayrıca, deneysel sonuçlarıyla eşleşmesi için kuantum simülasyonları (DFT-MD) kullanarak, sıvının sıcaklığı, yoğunluğu, erime gizli ısısı ve katıdan sıvıya geçiş sırasında ~%7’lik bir hacim değişikliği dahil olmak üzere sıvının temel parametrelerini de çıkardılar. Verileri, karbonun erime davranışı için şimdiye kadar belgelenmiş en doğru ölçütlerden birini destekler nitelikte.
Sıvı Karbonun Keşfi Neden Önemli
Daha önce görülmemiş bir şeyi deneysel olarak kanıtlayabilmek oldukça heyecan verici olsa da keşif bundan ibaret değil. Araştırma sonuçları karbonun yüksek sıcaklık ve basınçtaki davranışıyla ilgili önemli potansiyel çıktılara sahip. Örneğin, gezegen biliminde, bu tür bağlı sıvı karbon, Uranüs ve Neptün gibi buz devlerinin içinde bulunabilir ve bu da iç ısı taşınımı veya manyetik alanlar üzerinde bir etkiye sahip olabilir. Sıvı karbonun yapısını bilmek, malzeme bilimcilerinin daha iyi nanoelmaslar, Q-karbon ve diğer yüksek basınçlı gelişmiş malzemeler oluşturmasına yardımcı olabilir. Aynı zamanda yakıt peletlerini kaplamak için karbon tabanlı malzemeler kullanıldığından karbonun nasıl eridiğini ve aktığını anlamak, atalet sınırlamalı füzyon deneylerinin etkinliğini artırmaya yardımcı olabilir.
Mevcut teorik modelleri doğrulamaya ek olarak, bu keşif, hidrojen ve nitrojen açısından zengin moleküller gibi diğer hafif element sıvıların zorlu koşullar altında daha kesinlikli incelenmesinin yolunu açıyor. En önemlisi, sıvıların doğası gereği düzensiz olduğu yönündeki kabul görmüş inancı çürütüyor ve atomların zorlu koşullarda bile güçlü bağlama yoluyla kendilerini organize edebileceğini gösteriyor.
Yazarlar, “Artık karbonun sıvı olarak nasıl davrandığına dair doğrudan bir penceremiz var – bu şimdiye kadar sadece teorize edilmişti.” diye belirtiyor.
Bu deney, karbonu kavrayışımızda önemli bir köşe taşı olmakla beraber ve hem temel hem de uygulamalı yüksek enerji bilimlerinde yeni keşifler için temel oluşturuyor.
Haberi Derleyen: İrem Arslan – Ankara Üniversitesi Kimya Bölümü Öğrencisi
Kaynak: Kraus, D., Rips, J., Schörner, M. et al. The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction. Nature 642, 351–355 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09035-6
