Un estudio realizado por científicos de la Universidad de California, San Diego, ha descubierto cómo se producen defectos estructurales en cápsulas de diamante utilizadas en experimentos de fusión nuclear bajo las altas presiones requeridas.
Los investigadores afirmaron en un comunicado de prensa que estos hallazgos pueden ayudar a guiar mejoras en el diseño y los modelos de las cápsulas para lograr implosiones más uniformes, maximizando así la producción de energía en los experimentos de fusión. El estudio es relevante para investigaciones en instalaciones como el National Ignition Facility (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que se dedica a estudiar la fusión por confinamiento inercial como fuente potencial de energía.
En estos experimentos, potentes láseres comprimen cápsulas de diamante que contienen combustible de deuterio y tritio, con el objetivo de generar una implosión simétrica que someta al combustible a la alta presión y temperatura necesarias para la fusión nuclear. El comunicado señala que los investigadores, al simular condiciones extremas con láseres pulsados de alta potencia, descubrieron que el diamante desarrolla una serie de defectos, desde distorsiones cristalinas sutiles hasta regiones estrechas completamente desordenadas o amorfizadas. Estos defectos pueden comprometer la simetría de la implosión, reducir la producción de energía e incluso impedir la ignición.
La investigación detalla los procesos físicos que ocurren dentro del diamante en escalas de tiempo extremadamente cortas. Las ondas de choque generadas por el proceso de compresión impulsado por láser crean alta presión y altos esfuerzos cortantes asociados dentro del material en aproximadamente un nanosegundo. El estudio añade que el diamante es intrínsecamente un material frágil, con falta de actividad de dislocaciones en condiciones ambientales. Esta fragilidad a temperatura ambiente hace que examinar su comportamiento bajo condiciones de choque sea un desafío, y la fragmentación de las muestras complica el análisis microscópico posterior al choque.
Los investigadores realizaron experimentos con muestras de diamante monocristalino bajo diferentes presiones de choque. Los resultados mostraron que a 69 gigapascales (GPa) de presión, el diamante solo exhibía deformación elástica, manteniendo una red cristalina libre de defectos. A 115 GPa, los altos esfuerzos cortantes generaban defectos en la estructura, y fallas de apilamiento, dislocaciones y maclas podían aliviar estos defectos.
Este trabajo es el primero en observar experimentalmente la amorfización del diamante inducida por choque, una respuesta del material que, aunque había sido predicha por simulaciones de dinámica molecular, nunca antes se había visto en un entorno de laboratorio. El estudio señala que materiales con estructuras cristalinas "abiertas", como el diamante, son propensos al colapso estructural bajo presión. El factor de empaquetamiento atómico de la estructura cúbica del diamante es de 0,34, muy inferior al de los metales comunes (0,68 a 0,74). La investigación enfatiza que el esfuerzo cortante superpuesto a la presión hidrostática juega un papel importante en las transiciones de fase y la amorfización en estado sólido.
Una comprensión más profunda de cómo y por qué se forman estos defectos puede proporcionar datos para mejorar los modelos computacionales que simulan los procesos de implosión.
