重磅！液态碳，Nature!

【科学背景】

液态碳的实验室制备极为困难，需超过4000 K的温度和数兆帕压力，其性质对行星科学（如天王星/海王星磁场）、系外行星成分估算及先进材料合成（如纳米金刚石、Q-碳）至关重要。传统实验方法（如静态高压装置）难以直接观测液态结构，动态压缩技术（如激波压缩）因缺乏原位X射线探测，仅能间接推断液态存在。近年来，X射线自由电子激光器的应用为极端条件下液体结构的原位研究提供了可能。然而，液态碳的配位数、熔化线模型等仍存在理论争议。

【创新成果】

针对以上问题，德国罗斯托克大学D. Kraus等研究人员在Nature上发表了题为“The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction”的论文，利用X射线自由电子激光器的原位X射线衍射技术，在约100万大气压下精确测量了液态碳的结构。实验结果表明，液态碳是一种具有瞬态键合且平均配位数约为4的复杂流体，与量子分子动力学（DFT-MD）模拟结果一致。该研究为理解宇宙中最丰富的元素之一——碳的液态行为提供了实验基准，并验证了其熔化线模型。实验方法为研究极端条件下轻元素液体结构开辟了新途径。

【数据概览】

图1 实验装置示意图© 2025 Springer Nature Limited

图2 冲击压缩玻璃碳的XRD图© 2025 Springer Nature Limited

图3 实验所得液体结构的DFT-MD拟合© 2025 Springer Nature Limited

图4 径向分布函数及相图© 2025 Springer Nature Limited

【科学启迪】

该项研究通过实验证实，在约100 GPa压力下，液态碳是一种平均配位数约为4的复杂流体。DFT-MD模拟预测的结构与实验数据高度吻合，表明该方法在高压高温条件下具有强大的预测能力。实验结果表明，液态碳在熔化时的体积变化约为7%，与DFT-MD预测一致，且熔化熵和潜热分别为20 J·mol⁻¹·K⁻¹和130 kJ·mol⁻¹。这些数据为碳的相图提供了关键基准，并支持了近期DFT-MD方程的状态计算。未来实验可通过提高数据积累效率，进一步研究极端条件下轻元素液体的结构，推动行星内部模型、系外行星分类、极端条件材料合成及聚变靶材设计等领域的发展。

原文链接：

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