Para la mayoría de las sustancias, comprimir un sólido eleva la temperatura a la que funde. Para el diamante, en una ventana estrecha y extrema de presión, ocurre lo contrario. Nuevos experimentos en la instalación láser OMEGA de la Universidad de Rochester muestran que, entre aproximadamente 400.000 y 1 millón de veces la presión atmosférica, aplastar más el diamante reduce en realidad su temperatura de fusión. El trabajo, publicado el 13 de agosto en Nature Physics por un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, zanja además una discusión de larga data sobre si el diamante se transforma en un cristal distinto antes de fundirse: no lo hace, al menos no por el camino que recorren los experimentos.
Pulsos láser de nanosegundos impulsaron ondas de choque de entre 600 y 1.800 gigapascales, hasta 1,8 terapascales, a través de finas obleas de diamante microcristalino sintético. Doce experimentos emplearon choques estacionarios, manteniendo la presión constante el tiempo suficiente para tomar una instantánea de difracción de rayos X del cristal comprimido, y siete usaron choques en decaimiento para observar la respuesta del material en un rango de presiones en un solo disparo. Tres técnicas de diagnóstico trabajaron en conjunto: un interferómetro que medía la velocidad y la reflectividad de la onda de choque, un pirómetro óptico rápido que registraba la temperatura del material calentado por el choque y la difracción de rayos X que sondeaba la propia estructura cristalina.
La reflectividad en el frente de choque subió de menos del 1 por ciento cerca de una velocidad de choque de 21 kilómetros por segundo a alrededor del 40 por ciento por encima de 24,5 kilómetros por segundo, una señal de que el diamante comprimido se estaba convirtiendo en un fluido conductor de la electricidad. La temperatura de choque se comportó de una manera imposible para un sólido simple: en lugar de aumentar de forma constante con la intensidad del choque, descendió lentamente, de unos 7.400 K cerca de 22 kilómetros por segundo a unos 7.200 K cerca de 24 kilómetros por segundo, antes de girar bruscamente hacia arriba. La difracción de rayos X mostró una caída de diez veces en la señal del cristal comprimido, que tendía a cero cerca de 24,2 kilómetros por segundo. La fusión, en otras palabras, comenzó en torno a los 750 gigapascales y se completó cerca de los 1.000 gigapascales, a temperaturas de alrededor de 7.300 K.
La pendiente contraintuitiva tiene una explicación física arraigada en la densidad. Entre aproximadamente 0,4 y 1 terapascal, se predice que el carbono líquido es más denso que el diamante sólido, porque los átomos del líquido se empaquetan con una coordinación más alta que los cuatro enlaces de la estructura del diamante. Cuando el fundido es más denso que el cristal, la curva de fusión se inclina hacia abajo: la pendiente de Clapeyron, la relación termodinámica entre la presión y la temperatura de fusión, se vuelve negativa. Comprimir con más fuerza favorece al líquido más denso, de modo que se necesita menos energía térmica para fundir el sólido. La misma lógica explica por qué la línea de fusión del diamante tiene un máximo cerca de 0,4 terapascales, por encima del cual la pendiente se invierte.
Los datos de rayos X también abordan el enigma de la fase BC8, una disposición cúbica centrada en el cuerpo de átomos de carbono que, según predice la teoría del funcional de la densidad, se vuelve termodinámicamente estable por encima de aproximadamente 1 terapascal. Un estudio de 2008 sobre impactos de placas proyectiles había interpretado los cambios de compresibilidad cerca de los 900 gigapascales como evidencia de que el diamante se transformaba en BC8 a lo largo de la trayectoria del choque. Los nuevos patrones de difracción contradicen esa lectura. La única línea de difracción observada del cristal comprimido coincide con la reflexión más intensa del diamante cúbico ordinario, y da densidades dentro del 4 por ciento de las mediciones de velocimetría; leer la línea como BC8, en cambio, da densidades aproximadamente un 30 por ciento alejadas de los valores de velocimetría, algo que los autores califican de poco realista. No apareció ninguna línea adicional de BC8. La conclusión: el diamante cúbico persiste hasta su punto de fusión y mantiene una estructura que la teoría dice que debería ser inestable, porque los fuertes enlaces covalentes del diamante levantan una barrera cinética enorme contra la reorganización. El resultado coincide con los experimentos de compresión por rampa de 2021, que hallaron el diamante intacto a 2 terapascales, y con las simulaciones de compresión por choque basadas en aprendizaje automático.
También hay una corrección en el artículo. La medición pionera de 2010 de la temperatura de fusión del diamante mediante ondas de choque en decaimiento, también del grupo de Livermore, dio una temperatura más de mil kelvin más alta que los nuevos datos. Los autores atribuyen la diferencia al diseño experimental: la nueva campaña calibra el pirómetro contra una placa de referencia de cuarzo y se apoya en cámaras y ópticas mejoradas. Las nuevas temperaturas cierran además una discrepancia de unos 1.500 K que había separado el experimento de la simulación cuántica, y proporcionan los puntos de referencia a escala atómica que a la comunidad de modelado le faltaban. Una inconsistencia sigue abierta: el calentamiento por láser de milisegundos en celdas de yunque de diamante ha sugerido una pendiente de fusión negativa mucho más pronunciada, de hasta unos 3.000 K a 50 gigapascales, en fuerte conflicto tanto con la teoría como con los experimentos de choque. Esa tensión sigue sin resolverse.
Los resultados importan en dos mundos muy distintos. El primero es la energía de fusión. Las cápsulas que se usan en los experimentos de ignición de la National Ignition Facility son envolturas de diamante rellenas de combustible de deuterio-tritio, y la implosión se pone en marcha con tres choques sucesivos que comprimen la envoltura de diamante. Como el comportamiento de fusión era incierto, los diseñadores fijaron el primer choque de forma conservadora, por encima de 1,2 terapascales, para mantenerse lejos de los estados mixtos de sólido y líquido, una elección que limita la compresión. Con el límite de fases ya trazado, argumentan los autores, un primer choque más suave puede seguir llevando la cápsula a un estado líquido uniforme con una entropía menor y una compresibilidad mayor, lo que podría triplicar la producción de energía de fusión en comparación con los diseños actuales. El segundo mundo es planetario: saber dónde funde y sobrevive el diamante acota la forma en que se modelan los exoplanetas ricos en carbono y las capas de hielo de los planetas gigantes, donde el diamante puede formarse y acumularse en los interiores profundos.
Las salvedades forman parte del resultado. Los experimentos sondean escalas de tiempo de nanosegundos a lo largo de una trayectoria de choque único, y los hallazgos no descartan que la fase BC8 se forme por otras vías, como choques dobles o una compresión calentada cerca de la línea de fusión, que es exactamente lo que una campaña de Livermore y de la Universidad del Sur de Florida intenta ahora. Lo que establece este estudio es más acotado y sólido: a 1 terapascal, bajo choque, el diamante sigue siendo diamante, y funde en torno a los 7.300 kelvin, a una temperatura que desciende a medida que la compresión se intensifica.
Traducido por Alessandra
Fuentes:
- Millot, M., Coppari, F., Lazicki, A., Kim, Y.-J., Landen, O.L., Smalyuk, V.A., Celliers, P.M. & Eggert, J.H. “Diamond melting in shock compression experiments at 1 TPa pressures.” Nature Physics, August 13, 2026. DOI: 10.1038/s41567-026-03413-1.
- Eggert, J.H. et al. “Melting temperature of diamond at ultrahigh pressure.” Nature Physics 6, 40-43 (2010). DOI: 10.1038/nphys1438.
- Lazicki, A. et al. “Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals.” Nature 589, 532-535 (2021). DOI: 10.1038/s41586-020-03140-4.
- LLNL NIF & Photon Science, “Beyond Diamond: Seeking An Elusive Phase of Carbon” (campaña BC8 Discovery Science).