مشاهدهٔ تغییر ساختار اتمی طلا در فشار ۱۰ میلیون برابر فشار جو زمین
درون سیارات عظیم می‌تواند به فشارهایی دست یابد که بیش از یک میلیون برابر فشار جو زمین هستند. در پی این فشار شدید، مواد می‌توانند ساختارها و ویژگی‌های غیرمنتظره‌ای به خود بگیرند. درک ماده در چنین محیطی نیازمند آزمایش‌هایی است که مرزهای فیزیک را در آزمایشگاه به چالش می‌کشند.
در مقاله‌ای اخیر که در Physical Review Letters منتشر شد، پژوهشگران در آزمایشگاه ملی لورنس لیورمو (LLNL) و همکارانشان چنین آزمایش‌هایی را بر روی طلا انجام دادند و به بالاترین اندازه‌گیری ساختاری تحت فشار برای این ماده دست یافتند. نتایج، که نشان می‌دهد طلا ساختار خود را در فشار ۱۰ میلیون برابر فشار جو زمین تغییر می‌دهد، برای مدل‌سازی سیارات و علم هم‌جوشی اهمیت اساسی دارد.
«این آزمایش‌ها ترتیب بازآرایی‌های اتمی را که در برخی از شدیدترین فشارهای قابل دستیابی در آزمایش‌های آزمایشگاهی رخ می‌دهند، آشکار می‌سازند»، گفت Amy Coleman، دانشمند LLNL و نویسنده این مقاله.
طلا به‌عنوان ماده مرجع رایج در علم فشارهای بالا به‌کار می‌رود. اغلب برای کالیبره‌کردن اندازه‌گیری‌های ثابت فشار استفاده می‌شود، چرا که از نظر شیمیایی پایدار است و به‌راحتی با پرتوهای ایکس تشخیص داده می‌شود. رفتار آن در شرایط فشارهای کم نسبتاً به‌خوبی شناخته شده است، اما در مورد فشارهای افراطی برخی اختلافات تاریخی مشاهده شده است.
«دقیق دانستن رفتار طلا تضمین می‌کند که هر آزمایش دیگری که از آن به‌عنوان معیار کالیبراسیون استفاده می‌کند، از مطالعه هسته‌های سیاری تا طراحی مواد جدید، بر پایهٔ درکی مستحکم و معتبر از رفتار طلا بنا شده باشد»، گفت Coleman.
اما دستیابی به این فشارها به‌طور فوق‌العاده دشوار است. برای به‌دست آوردن اندازه‌گیری‌های خود، نویسندگان پالس‌های لیزری ویژه‌ای را در مرکز ملی احتراق (NIF) و سامانه لیزری OMEGA EP در دانشگاه روجستر ایجاد کردند. این پالس‌ها به آن‌ها اجازه داد تا فشارهای فوق‌العاده بالا را در دماهای پایین‌تر، جایی که طلا هنوز در حالت جامد است، دست‌یابند.
این فرآیند همچنین به زمان‌بندی فوق‌دقیق نیاز داشت، به‌طوری‌که snapshotهای پاشناسی ایکس‑ray در مقیاس اتمی در یک نانوثانیه (یک میلیاردم ثانیه) ثبت شد.
«تنها به‌تازگی تأسیساتی مانند NIF توانایی ایجاد این فشارها و همزمان ثبت یک snapshot از آنچه در داخل نمونه از اتم‌ها رخ می‌دهد را پیدا کردند»، گفت Coleman. «این نخستین نگاه قطعی به ساختار کریستالی طلا تحت چنین فشارهای شدیدی است و سرانجام اختلافات دیرینهٔ بین نظریه و آزمایش را حل می‌کند.»
در شرایط عادی، اتم‌های طلا به‌صورت الگویی به‌نام ساختار مکعبی مرکز‑سطحی (face‑centered cubic) ترتیب می‌یابند؛ این سامانه در هر گوشه و در مرکز هر سطح یک مکعب اتمی حضور دارد. دانشمندان دریافتند که این ساختار تا فشارهای بسیار بالاتر از پیش‌بینی برخی مدل‌ها پایدار می‌ماند. این تنها فاز طلا تا حدود دو برابر فشار هستهٔ زمین بود.
پس از آن، طلا شروع به تغییر کرد. برخی از اتم‌های طلا به‌سازماندهی ساختار مکعبی مرکز‑بدنی (body‑centered cubic) در آمدند؛ در این ساختار اتم‌ها در هر گوشهٔ یک مکعب و یک اتم در مرکز دقیق آن قرار دارند. اما بخشی از ساختار اولیهٔ مرکز‑سطحی نیز همچنان باقی ماند، که شواهدی بر وجود هم‌زیستی این دو حالت است.
«این آزمایش‌ها اندازه‌گیری‌های ساختاری طلا را به حوزهٔ ترپاسکال گسترش می‌دهند و ضرورت تشخیص دما برای بهبود مرزهای فازی را برجسته می‌سازند»، گفت Coleman. «آن‌ها پایهٔ مستحکم‌تری برای استفاده از طلا به‌عنوان استاندارد فشارهای بالا و برای بررسی ماده تحت شرایط افراطی فراهم می‌کنند.»
اطلاعات بیشتر: Amy L. Coleman و همکاران، تحول فاز مکعبی مرکز‑بدنی در طلا تحت فشارهای TPa، Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/yzzv-2w81
اطلاعات نشریه: Physical Review Letters
توسط آزمایشگاه ملی لورنس لیورمو (LLNL) ارائه شده است
منبع استناد: مشاهدهٔ تغییر ساختار اتمی طلا در فشار ۱۰ میلیون برابر فشار جو زمین (۲۰۲۵، ۲۰ نوامبر)؛ بازدید شده در ۲۱ نوامبر ۲۰۲۵ از https://phys.org/news/2025-11-gold-atomic-million-earth-atmospheric.html