الكواكب الجليدية العملاقة مثل نبتون وأورانوس وفيرة للغاية في مجرتنا. تتكون الأجزاء الداخلية بشكل أساسي من خليط سائل كثيف من الماء والميثان والأمونيا. بسبب الظروف القاسية ، تمطر الماس.
في تجربة سابقة ، قام العلماء بمحاكاة درجات الحرارة الشديدة والضغوط الموجودة في أعماق البحار نبتون و أورانوسعمالقة الجليد. لأول مرة ، تمكنوا من مشاهدة شكل المطر الماسي.
توصلت دراسة جديدة إلى أن "المطر الماسي" ، وهو نوع غريب مفترض منذ فترة طويلة من هطول الأمطار على الكواكب الجليدية العملاقة ، يمكن أن يكون أكثر شيوعًا مما كان يعتقد سابقًا. تقدم الدراسة صورة كاملة لكيفية تشكل المطر الماسي على الكواكب الأخرى ، وهنا على الأرض ، يمكن أن يؤدي إلى طريقة جديدة لتصنيع الماسات النانوية ، والتي لها مجموعة واسعة من التطبيقات في توصيل الأدوية ، وأجهزة الاستشعار الطبية ، والجراحة غير الغازية ، والتصنيع المستدام ، والإلكترونيات الكمومية.
Siegfried Glanzer ، مدير قسم كثافة الطاقة العالية في سلاك، قال، كانت الورقة السابقة هي المرة الأولى التي رأينا فيها بشكل مباشر تشكيل الماس من أي مخاليط. منذ ذلك الحين ، تم إجراء العديد من التجارب على مواد نقية مختلفة. لكن داخل الكواكب ، الأمر أكثر تعقيدًا ؛ العديد من المواد الكيميائية في المزيج. ولذا ، ما أردنا اكتشافه هنا هو نوع التأثير الذي تحدثه هذه المواد الكيميائية الإضافية ".
في تجربة سابقة ، نظر العلماء إلى مادة بلاستيكية تتكون من الهيدروجين والكربون ، وهما عنصران أساسيان في التركيب الكيميائي العام لنبتون وأورانوس. لكن عمالقة الجليد تشتمل أيضًا على عناصر إضافية ، مثل كميات كبيرة من أكسجين و كربونوالهيدروجين.
في تجربة حديثة ، استخدم العلماء بلاستيك PET لإعادة إنتاج تكوين هذه الكواكب بشكل أكثر دقة.
قال دومينيك كراوس ، الفيزيائي في HZDR والأستاذ في جامعة روستوك ، "PET لديها توازن جيد بين الكربون والهيدروجين والأكسجين لمحاكاة النشاط في الكواكب الجليدية."
ابتكر العلماء موجات صدمة في PET باستخدام ليزر ضوئي عالي الطاقة في أداة Matter in Extreme Conditions (MEC) في مصدر Linac Coherent Light Source (LCLS) التابع لـ SLAC. ثم استكشفوا ما حدث في البلاستيك باستخدام نبضات الأشعة السينية من LCLS.
استخدم العلماء لاحقًا حيود الأشعة السينية لمشاهدة ذرات المادة المعاد ترتيبها في مناطق الماس الصغيرة. في الوقت نفسه ، استخدموا طريقة أخرى تسمى تشتت الزاوية الصغيرة لقياس مدى سرعة وكبر هذه المناطق. تساعدهم هذه الطريقة في تحديد أن مناطق الماس هذه قد نمت حتى عرض بضعة نانومترات. اكتشفوا أن الألماس النانوي يمكن أن يتطور عند ضغوط ودرجات حرارة أقل مما لوحظ سابقًا عندما كان الأكسجين موجودًا في المادة.
قال كراوس ، كان تأثير الأكسجين هو تسريع انقسام الكربون والهيدروجين وبالتالي تشجيع تكوين الألماس النانوي. وهذا يعني أن ذرات الكربون يمكن أن تتحد وتتشكل بسهولة أكبر الماس".
اكتشف الفريق أيضًا دليلًا على أن الماء الفائق الأيونية قد يحدث مع الماس. غالبًا ما يشار إلى هذه المرحلة المائية التي تم تحديدها مؤخرًا باسم "الجليد الأسود الساخن" ، ويمكن العثور عليها عند درجات حرارة وضغوط عالية بشكل غير عادي.
تنكسر جزيئات الماء في ظل هذه الظروف القاسية ، وتتحول ذرات الأكسجين إلى شبكة بلورية حيث تكون نوى الهيدروجين حرة في الحركة. يمكن للمياه الفائقة التأين توصيل التيار الكهربائي بسبب الشحنة الكهربائية على هذه النوى العائمة الحرة ، مما قد يساعد في تفسير سبب امتلاك أورانوس ونبتون مجالات مغناطيسية غريبة.
يمكن أن تؤثر النتائج أيضًا على فهمنا للكواكب في المجرات البعيدة لأن العلماء يعتقدون الآن أن عمالقة الجليد هي الشكل الأكثر شيوعًا لكوكب خارج نظامنا الشمسي.
قالت عالمة SLAC والمتعاونة سيلفيا باندولفي ، "نحن نعلم أن لب الأرض يتكون في الغالب من الحديد ، ولكن العديد من التجارب لا تزال تبحث في كيفية وجود عناصر أخف وزنًا يمكن أن يغير ظروف الانصهار وتحولات الطور. توضح تجربتنا كيف يمكن لهذه العناصر تغيير ظروف تشكل الماس على عمالقة الجليد. إذا أردنا نمذجة الكواكب بدقة ، فنحن بحاجة إلى الاقتراب قدر الإمكان من التكوين الفعلي للكواكب الكواكب الداخلية".
تشير الدراسة أيضًا إلى طريق محتمل لتصنيع الألماس النانوي من بلاستيك PET غير مكلف باستخدام ضغط الصدمات الذي يحركه الليزر. تستخدم هذه الأحجار الكريمة الصغيرة حاليًا في المواد الكاشطة وعوامل التلميع. ومع ذلك ، يمكن استخدامها أيضًا في أجهزة الاستشعار الكمومية وعوامل التباين الطبية ومسرعات تفاعل الطاقة المتجددة في المستقبل.
قال عالم SLAC والمتعاون Benjamin Ofori-Okai ، "الطريقة التي تُصنع بها الماسات النانوية حاليًا هي أخذ مجموعة من الكربون أو الماس وتفجيرها بالمتفجرات. ينتج عن هذا ماسات نانوية بأحجام وأشكال مختلفة ويصعب التحكم فيها ".
"ما نراه في هذه التجربة هو تفاعل مختلف لنفس النوع تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. في بعض الحالات ، يبدو أن الماس يتشكل بشكل أسرع من حالات أخرى ، مما يشير إلى أن وجود هذه المواد الكيميائية الأخرى يمكن أن يسرع هذه العملية. يمكن أن يوفر إنتاج الليزر طريقة أكثر نظافة ويمكن التحكم فيها بسهولة لإنتاج الماس النانوي. إذا تمكنا من تصميم طرق لتغيير بعض الأشياء المتعلقة بالتفاعل ، فيمكننا تغيير سرعة تشكلها وبالتالي حجمها ".
يخطط العلماء لإجراء تجارب مماثلة باستخدام عينات سائلة تحتوي على الإيثانول والماء والأمونيا - مما يصنع منه أورانوس ونبتون في الغالب - مما سيجعلهم أقرب إلى فهم كيفية تشكل المطر الماسي على الكواكب الأخرى.
عالم SLAC والمتعاون نيكولاس هارتلي محمد, "حقيقة أنه يمكننا إعادة إنشاء هذه الظروف القاسية لنرى كيف تعمل هذه العمليات على نطاقات سريعة جدًا وصغيرة جدًا أمر مثير. تقربنا إضافة الأكسجين أكثر من أي وقت مضى لرؤية الصورة الكاملة لهذه العمليات الكوكبية ، ولكن لا يزال هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به. إنها خطوة نحو الحصول على الخليط الأكثر واقعية ورؤية كيف تتصرف هذه المواد حقًا على الكواكب الأخرى ".
المرجع مجلة:
- Zhiyu He et al. حركيات تشكيل الماس في عينات C─H─O المضغوطة بالصدمات المسجلة بواسطة تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة وانحراف الأشعة السينية. علم السلف. المجلد 8 ، العدد 35. DOI: 10.1126 / sciadv.abo0617
