钻石在7300开尔文下熔化：LLNL研究终结20年争议，有望实现聚变能量增益三倍提升

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员首次通过实验精确测量了钻石在极端压力下的熔化行为，从而解决了理论学家与实验学家之间长达二十年的争议。这项由Marius Millot领导的团队于2026年8月13日发表在《自然·物理》期刊上的研究，利用激光驱动的冲击波，达到了地球核心压力三倍以上、温度超过太阳表面的极端条件。该成果对惯性约束聚变（尤其是国家点火装置NIF）以及行星内部（特别是海王星和天王星等冰巨星内部假想的“钻石雨”）的研究具有重要意义。

四大关键发现

1. 约7300开尔文的新熔点，终结20年争议

研究团队在罗切斯特大学的OMEGA激光装置上，利用激光驱动冲击波对微小钻石样品施加600 GPa至1.8 TPa的压力，并在十亿分之一秒内捕获X射线衍射数据。测得的熔点约为7300开尔文——比Jon Eggert及其同事2009年的测量结果低了1000多开尔文，如今与量子力学模拟结果惊人地吻合，而此前理论与实验数据一直无法调和。

2. 单次冲击下，钻石跳过中间相直接熔化

X射线数据显示，钻石晶体结构在熔化前并未转变为预测中的BC8相（一种高压碳结构）。钻石晶格保持完整，直到碳原子突然无序化，形成液态。研究团队将这一现象归因于动力学俘获：在单次快速冲击下，强碳键没有足够时间断裂并重组为BC8，因此系统直接从固态钻石结构熔化。

3. 较慢的初始冲击波可能使NIF聚变能量增益提升三倍

在国家点火装置的惯性约束聚变实验中，钻石胶囊用于容纳氘氚燃料。本研究改进的碳模型表明，使用稍慢的初始冲击波（仍能完全熔化钻石）可使聚变燃料更易压缩，从而在相同激光驱动下获得更高能量输出。模拟结果显示，若其他退化机制得到控制，聚变能量增益最多可提升三倍。

4. 钻石在其熔体中漂浮（如同冰块浮在水面）

在高压下，固态钻石的密度低于其熔化形成的液态金属碳，因此固态钻石会浮在液态碳上——类似于冰块浮在水杯中的现象。这也导致在部分熔化范围内出现负的Clapeyron斜率，即增加压力反而会降低熔化温度。

对聚变能研究的意义

该研究直接改进了ICF设计模型。NIF当前的聚爆模拟现在可以纳入实验验证过的碳状态方程，消除了胶囊性能预测中的一个关键不确定因素。预测的能量增益提升（高达三倍）对于NIF实现更高产额聚变状态是一个有意义的潜在推动，但研究人员指出这取决于其他胶囊退化机制是否得到控制。钻石胶囊已经处于NIF创纪录实验的核心——2025年4月7日，一个高质量的钻石胶囊帮助NIF实现了8.6兆焦耳的聚变产额里程碑。对钻石相行为的更深入理解，直接指导着下一代靶丸的设计。

对行星科学的意义

实验中达到的压力和温度条件直接适用于海王星和天王星等冰巨星的内部（压力高达约1.8 TPa，与这些行星深层内部相当）。研究发现钻石可以在液态金属碳中共存并漂浮，这有助于模拟“钻石雨”——即长期以来假设的钻石从冰巨星内部液态碳层中沉淀出来的过程。钻石在快速压缩下亚稳态存在的观察结果，也为碳在行星形成和动态事件中的行为提供了重要信息。