יהלומי רהב

יהלומים אינם מפסיקים להלהיב את דימיוננו לגרות מדענים לחקור אותם. פיזיקאים שעוסקים בלייזרים רבי עוצמה ניסו לענות שאלה פשוטה של כימיה תיכונית שיש לה השלכות על הרכבם של כוכבי לכת רחוקים.

יהלום, כידוע, הוא צורה טהורה של פחמן, והוא החומר הקשה ביותר המוכר לאדם. אבל מבחינה כימית-פיזיקלית, הצורה היציבה יותר של פחמן בטמפרטורה ובלחץ של החדר היא דווקא גרפיט – החומר השחור של העיפרון. ולכן, עד כה לא ניתנה תשובה לשאלה הפשוטה: מהי נקודת ההתכה של יהלום?

אם נחמם יהלום הוא אמנם יהפוך לפחמן נוזלי, אבל בדרך הוא יהפוך קודם לגרפיט, ולכן החומר שעובר התכה הוא גרפיט. אבל ידוע לכולנו, שיהלומים נוצרים בתנאי לחץ וטמפרטורה גבוהים, בתנאים כאלה, דווקא היהלום, ולא הגרפיט הוא הצורה היציבה ביותר. מדוע אם כך יהלומים אינם הופכים לגרפיט כשהם משובצים בתכשיטים? התשובה, לשמחתה של תעשיית היהלומים, היא שהתהליך שנוסחתו:

_יהלוםC_(s) → _גרפיטC_(s)

הוא תהליך אטי מאוד – יש הטוענים שאכן, כל היהלומים הופכים אט-אט לגרפיט, כך שלטווח ארוך (מאוד) השקעה ביהלומים אינה כדאית.

מה זה בכלל יהלום נוזלי?

עיתונאים שדווחו על הממצא כתבו על יהלומים נוזליים. האם הדבר אפשרי בכלל? נראה שהעיתונאים החסירו כמה שיעורי כימיה בתיכון. כל תלמיד כימיה יודע שיהלום הוא למעשה תיאור של פחמן גבישי. בגביש היהלום קשור כל אטום פחמן לארבעה שכנים באמצעות ארבעה קשרים קוולנטיים יחידים, וכל פחמן שוכן בפינה של טטרהדר. המבנה הדחוס הזה של הגביש האטומרי מקנה לו את קושיו. גרפיט לעומת זאת בנויה ממשטחים ענקיים של פחמנים המסודרים במבנה של משושים, כמו כוורת. התכת היהלום תשבור איפוא את הקשרים הקוולנטיים והנוזל שייווצר לא יכול להיחשב עוד יהלום. כותבי המאמר המקורי אכן נמנעים מן השימוש במונח “יהלום נוזלי”. הם מתארים את הנוזל כנוזל מתכתי, ובטמפרטורות ולחצים גבוהים אף יותר, כנוזל בעל “מבנה מורכב”.

ולכן, כדי לפתור את סוגיית נקודת ההתכה של היהלומים, ניסה צוות מחקר מן המעבדה הלאומית האמריקנית על שם לורנס ליוורמור, בראשותו של ג’ון אגרט, לחמם יהלומים בתחום טמפרטורות ולחצים גבוה במיוחד. הם חיממו יהלום קטן, של כעשירית קראט (0.02 ג’), באמצעות לייזר רב-עוצמה בלחץ של 40 מיליון אטמוספרות (לחץ של אטמוספרה אחת הוא הלחץ השורר על כדור הארץ בגובה פני הים) – בתנאים אלה הפך היהלום לטיפת נוזל. אז החלו המדענים להוריד בהדרגה את הלחץ ואת הטמפרטורה. כשהלחץ ירד ל-11 מיליון אטמוספרות והטמפרטורה הגיע לכ-50,000 מעלות צלזיוס, המשיך הלחץ לרדת אבל ירידת הטמפרטורה נעצרה – סימן היכר למעבר פאזה – הנוזל החל לקפוא ויהלומים מוצקים החלו להיווצר.

אבל כאן מצפה לנו הפתעה. רוב המוצקים צפופים מן הנוזלים שלהם, ולכן, גוש ברזל ישקע בברזל נוזלי, וגוש שמן מוצק ישקע בתוך בקבוק שמן נוזלי. יוצא דופן אחד מוכר לכולנו: מים. קרח צף על פני המים בגלל התכונה הנדירה של מים: המוצק פחות צפוף מן הנוזל. ובכן, למים יש בן זוג – יהלום. היהלומים הזעירים שהחלו להיווצר צפו על פני טיפת “היהלום הנוזלי”, עדות לצפיפותם הקטנה יותר.

המדענים משערים שבליבה של כוכבי לכת ענקיים, כמו אורנוס (או בשמו העברי החדש “אורון”) או נפטון (“רהב”), עשויים להתקיים תנאים שבהם יהלומים יציבים דיים. כוכבי הלכת האלה משתייכים למשפחת “הענקים הגזיים” (ביחד עם צדק ושבתאי) מפני שרוב המסה שלהם היא גזית. האטמוספרה של אורון ורהב מכילה תרכובות פחמימניות (המכילות פחמן ומימן), ועל פי ההשערה,בלב לבם של כוכבי הלכת האלה, שוררים תנאים שבהם הפחמימנים קורסים ומתפרקים לפחמן נוזלי ולמימן. תנאי הלחץ והטמפרטורה מתאימים גם לאלה של הניסוי, ולכן לא מן הנמנע שיהלומים צפים שם על פני נוזל כמו קרחונים על פני האוקיינוס.

כדי לאשר השערה זו יש צורך לשלוח חללית לחקר כוכבי הלכת (אם כי קשה להניח שחללית כזאת תוכל להגיע את ליבת הפלנטות ולשרוד שם) או לבנות מתקן הדמיה על כדור הארץ – שתי אופציות יקרות שלא נראות מציאותיות בעתידה הקרוב.

מקורות

• תקציר המאמר המקורי בכתב העת Nature Physics
• דיווח על הממצא בכתב העת Discovery
• דיווח נוסף בבלוג Centaury Dreams