幾個世紀以來，碳一直吸引著人類，它多方面的特性既帶來了鉆石的璀璨，也帶來了石墨的實用。然而，盡管碳無處不在，但它最神秘的一種狀態——液態碳，卻在很大程度上仍籠罩在神秘之中。與大多數元素不同，碳在環境條件下不會輕易熔化；相反，它會直接升華成氣體。要將碳轉化為液態，需要難以想象的極端環境：超過4500攝氏度的溫度和足以壓碎任何傳統容器的巨大壓力。這個巨大的實驗障礙使得直接研究液態碳的原子結構成為一項難以實現的任務，其基本特性在很大程度上只能通過理論模型和模擬來推斷。然而，最近一項發表在《自然》雜志上的研究，打破了這一障礙，首次通過實驗揭示了這種非凡物質的原子排列。

研究液態碳的巨大挑戰源于其在其他相中的卓越穩定性以及其液化所需的極端條件。雖然碳的固態相，如金剛石和石墨，已得到很好的表征，但其液態在如此嚴酷條件下的瞬態和揮發性歷來排除了直接的實驗觀察。這種知識空白對各個科學領域都產生了重大影響。在行星科學中，理解液態碳對于模擬氣態巨行星和系外行星的內部至關重要，在這些地方，極端條件很常見，碳在其組成和演化中發揮著至關重要的作用。在材料科學和工程領域，液態碳的特性可以為開發能夠承受超高溫和超高壓的新一代材料，甚至推進核聚變能源技術（碳基材料在其中日益受到關注）提供新的見解。

實驗設備

這項發表在《自然》雜志上的突破性論文，是國際研究合作團隊智慧和技術實力的體現，該團隊主要由羅斯托克大學和亥姆霍茲德累斯頓-羅森多夫中心（HZDR）的科學家領導。他們創新的方法巧妙地整合了兩種尖端技術：DiPOLE 100-X高能激光器和歐洲X射線自由電子激光器（European XFEL）。DiPOLE 100-X激光器是一項工程奇跡，它能夠在短短納秒內迅速加熱和壓縮固態碳樣品，使其達到液化所需的極端條件。這種超快加熱確保碳在樣品耗散或降解之前，短暫地以液態形式存在。

至關重要的是，歐洲XFEL隨后作為終極探測器登場。它能夠產生同樣在納秒時間尺度的超短、超亮的X射線脈沖，進行確定原子結構所需的精確散射測量。XFEL脈沖的亮度對于克服瞬態液態碳的極少量以及獲得足夠的衍射信號至關重要。實驗設計的真正精妙之處在于激光誘導液化和X射線探測之間精確的時間同步。通過系統地改變壓縮激光脈沖和X射線脈沖之間的延遲，研究人員能夠捕捉碳原子從固態向液態轉變過程中實時重排的“快照”。這種“原位”測量能力從根本上將這項工作與以前的嘗試區分開來，首次提供了液態碳原子排列的直接實驗證據。

實驗的關鍵見解

該論文中提出的發現令人震驚，它們挑戰了一些先前的觀念，同時也證實了另一些觀念。與一些預測認為液態碳具有更無序甚至金屬結構相反，X射線衍射數據表明液態碳表現出顯著的局部有序性。最引人注目的發現是液態碳原子具有四重配位的強烈跡象，這與固態金剛石中的鍵合構型驚人地相似。這表明盡管是液態，碳中普遍存在的強共價鍵仍然存在，即使在熔融狀態下也影響著其原子排列。這一見解意義深遠，因為它驗證了某些預測這種金剛石般局部有序的理論模型，將其從假設的領域提升到實驗驗證的事實。

此外，該研究表明液態碳是一種“復雜液體”，表現出類似于水的特性。雖然水的復雜性源于其氫鍵網絡，但液態碳中觀察到的復雜性表明鍵合力和原子堆積之間存在復雜的相互作用。這種對其液態性質的細致理解為理論探索開辟了新途徑，促使人們深入研究這種極端流體中原子間相互作用的具體機制。除了結構洞察力，這項研究還更精確地確定了碳的熔點，這個參數歷來在不同的理論計算中存在差異。對這一關鍵熱力學性質的實驗驗證為未來的理論模型和模擬提供了急需的基準。

意義與未來

這項突破性研究的意義遠不止于其直接發現。首先，它為數十年來關于液態碳結構的理論工作和計算模擬提供了寶貴的實驗驗證，使科學家能夠完善和改進他們的預測模型。這種完善對于理解物質在極端條件下的行為至關重要，這是材料科學和高壓物理的前沿領域。其次，液態碳的詳細結構信息將極大地增強我們對行星內部的理解，特別是像木星和土星這樣的氣態巨行星，其中碳可能以奇異的液相存在。理解這些基本特性是揭示此類天體形成和演化的關鍵。

最后，也許是最具未來意義的是，對液態碳獨特性能的深入了解可能對先進技術應用產生深遠影響。碳基材料因其在極端環境下的彈性和多功能性而受到越來越多的探索。理解液態碳的行為可以為超硬材料的新合成途徑或設計聚變能源反應堆部件鋪平道路，在這些反應堆中，材料必須承受難以想象的溫度和中子通量。碳形成具有獨特鍵合特性的復雜液態結構的潛力，也可能激發全新功能材料的開發。