Caracterizan por primera vez carbono en estado líquido

El carbono, pilar de la vida y materia prima de incontables tecnologías, sigue guardando un secreto crucial: su fase líquida. Aunque el elemento es casi ubicuo —desde diamantes hasta grafito y biomoléculas— ningún laboratorio había logrado caracterizarlo directamente en estado líquido. ¿Por qué? Porque el carbono fundido solo existe bajo presiones de millones de atmósferas y temperaturas que rozan los 7000 K, condiciones tan extremas que ningún contenedor sólido lo resiste. Ahora, un equipo europeo ha sorteado ese obstáculo con un láser de estado sólido ultrapotente acoplado al European XFEL y ha capturado, durante apenas nanosegundos, la estructura íntima del líquido más difícil de fabricar de la tabla periódica.

Una receta de alta presión y alta temperatura

Para derretir el carbono, el grupo liderado por Dominik Kraus (Universidad de Rostock) disparó pulsos láser que generaron ondas de choque en láminas de diamante. La compresión superó el millón de atmósferas mientras el láser elevaba la temperatura a unos 7000 K, creando carbono líquido durante un puñado de nanosegundos. En ese lapso fugaz, pulsos de rayos X de 25 femtosegundos tomaron “instantáneas” difractivas con resolución atómica. El resultado: las imágenes más detalladas del carbono en su forma líquida jamás registradas.

Sorprendentes vestigios del diamante

En el diamante sólido, cada átomo de carbono se une a cuatro vecinos formando una red tetraédrica. Lo lógico sería suponer que, al fundirse, esos enlaces se rompen por completo. Sin embargo, los patrones de difracción revelan que, incluso líquido, el carbono mantiene la tendencia a rodearse de cuatro átomos. Es decir, la topología del diamante sobrevive parcialmente, señal de un orden local inesperado en un líquido tan caliente y denso. Además, el experimento fija la temperatura de fusión en torno a 6700 K a 1,2 millones de atmósferas, cifras que afinan modelos teóricos y simulaciones que hasta ahora carecían de datos experimentales.

Implicaciones para la astrofísica y los materiales avanzados

Comprender el carbono líquido no es un simple capricho académico. Se cree que este fluido existe en las profundidades de Urano y Neptuno, donde podría influir en sus campos magnéticos y transporte de calor. Si el líquido cambia entre estados conductores y aislantes, alteraría la dinámica interna de esos mundos. En la Tierra, dominar su física abriría rutas para sintetizar nanodiamantes, Q-carbon y otras formas exóticas —potenciales protagonistas de la fotónica, la electrónica cuántica o incluso los reactores de fusión. Como subraya el químico Richard Saykally (UC Berkeley), “es esencial descifrar sus propiedades electromagnéticas y reactividad química para diseñar dispositivos que lo aprovechen”.

Tecnología láser al límite

El salto experimental se apoyó en un láser de alta energía concebido en el Reino Unido para el XFEL europeo. Al combinar pulsos ópticos intensos con una fuente de rayos X ultrabrillantes, la instalación permite estudiar materia bajo condiciones inaccesibles por otros métodos. El logro no solo demuestra la viabilidad de sondear líquidos “imposibles”, sino que allana el camino para analizar mezclas ligeras —hidrógeno con carbono, por ejemplo— que pueblan los interiores planetarios y podrían revelar nuevas fases con propiedad tecnológica.

Próximos pasos y preguntas abiertas

Entre los desafíos futuros figuran medir la conductividad eléctrica del carbono líquido, su tensión superficial y su química a escalas ultracortas. También será crucial investigar cómo se “congela” al relajarse la presión, proceso que podría sembrar microdiamantes dopados útiles en sensores cuánticos. Kraus y su equipo planean extender la metodología a otros elementos y compuestos, buscando respuestas sobre la materia en condiciones extremas y descubriendo, quizá, materiales revolucionarios.

¿Por qué se necesita alta presión para formar carbono líquido?

La razón principal es que el carbono sólido (grafito o diamante) y el carbono gaseoso (vapor) son más estables que el carbono líquido en amplios rangos de presión y temperatura. Lo que ocurre es lo siguiente:

1. A presiones bajas, cuando se calienta el carbono sólido (por ejemplo, grafito), sublima directamente, pasando a gas sin pasar por el estado líquido.
   • Esto ocurre porque el punto triple (donde coexisten sólido, líquido y gas) del carbono se encuentra a presiones extremadamente altas.
   • Por eso se dice que el carbono líquido «evapora directamente a presión ambiente».
2. Para que la fase líquida sea estable, es necesario:
   • Aumentar mucho la presión para suprimir la sublimación.
   • Alcanzar temperaturas altísimas para superar el punto de fusión (¡el más alto entre todos los elementos!).
3. El diagrama de fases del carbono muestra que el líquido solo aparece en un pequeño rango de altísimas presiones y temperaturas, por encima de ~100 GPa (~1 millón de atmósferas) y > 6000 K. En otras palabras, el carbono líquido es una fase termodinámicamente estable solo bajo condiciones extremas.

Comparación con otras sustancias

• En el agua, por ejemplo, el hielo es menos denso que el líquido, por eso la fusión se favorece con presión.
• En metales comunes, el sólido suele ser más denso que el líquido, así que aumentar la presión favorece la solidificación.
• En el carbono, la situación es más complicada porque:
  • Tiene múltiples fases sólidas (grafito, diamante, etc.), cada una con distinta densidad.
  • La fase líquida es más densa que el vapor, pero no necesariamente más densa que el diamante. Aun así, es termodinámicamente más favorable que el gas a altísima presión.

Las altas presiones no favorecen el estado líquido en sí, sino que inhiben la sublimación y permiten que exista una zona de estabilidad para el líquido en el diagrama de fases.

En el caso del carbono, el líquido solo puede existir cuando la presión supera el equilibrio sólido-gas, forzando al carbono a fundirse en lugar de sublimar.

Esta necesidad es lo que hace tan difícil obtener carbono líquido en laboratorio y lo convierte en uno de los líquidos más «elusivos» de la tabla periódica.

Referencia

D Kraus et al., Nature, 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-09035-6