Isgigantiske planeter som Neptun og Uranus er meget rigelige i vores galakse. Deres indre er hovedsageligt sammensat af en tæt væskeblanding af vand, metan og ammoniak. På grund af ekstreme forhold regner der diamant.
I et tidligere eksperiment simulerede forskere de alvorlige temperaturer og tryk fundet dybt inde Neptune , Uranus's isgiganter. For første gang var de i stand til at se diamantregn dannes.
En ny undersøgelse har fundet ud af, at "diamantregn", en længe antaget eksotisk type nedbør på isgigantiske planeter, kunne være mere almindelig end hidtil antaget. Undersøgelsen giver et komplet billede af, hvordan diamantregn dannes på andre planeter, og her på Jorden kan føre til en ny måde at fremstille nanodiamanter på, som har en bred vifte af anvendelser inden for lægemiddellevering, medicinske sensorer, non-invasiv kirurgi, bæredygtig fremstilling, og kvanteelektronik.
Siegfried Glanzer, direktør for High Energy Density Division kl SLAC, sagde, "Det tidligere papir var første gang, vi så direkte diamantdannelse fra eventuelle blandinger. Siden har der været mange forsøg med forskellige rene materialer. Men inde i planeter er det meget mere kompliceret; mange flere kemikalier er i blandingen. Så det, vi ville finde ud af her, var, hvilken slags effekt disse yderligere kemikalier har."
I et tidligere eksperiment så forskerne på et plastikmateriale bestående af brint og kulstof, to væsentlige elementer i Neptun og Uranus' overordnede kemiske sammensætning. Men isgiganter omfatter også yderligere elementer, såsom betydelige mængder af ilt , kulstofog hydrogen.
I et nyligt eksperiment brugte forskere PET-plastik til at gengive sammensætningen af disse planeter mere nøjagtigt.
Dominik Kraus, fysiker ved HZDR og professor ved University of Rostock, sagde: "PET har en god balance mellem kulstof, brint og ilt for at simulere aktiviteten i isplaneter."
Forskere skabte chokbølger i PET ved hjælp af en kraftig optisk laser ved Matter in Extreme Conditions (MEC) instrumentet ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS). De undersøgte derefter, hvad der skete i plastikken med røntgenimpulser fra LCLS.
Forskere brugte senere røntgendiffraktion til at se, hvordan atomerne i materialet omarrangeredes i små diamantområder. Samtidig brugte de en anden metode kaldet small-angle spredning til at måle, hvor hurtigt og store disse regioner voksede. Denne metode hjælper dem med at bestemme, at disse diamantregioner voksede op til et par nanometer brede. De opdagede, at nanodiamanter kunne udvikle sig ved lavere tryk og temperaturer end tidligere bemærket, når ilt var til stede i stoffet.
Kraus sagde, "Effekten af ilten var at fremskynde spaltningen af kulstof og brint og dermed fremme dannelsen af nanodiamanter. Det betød, at kulstofatomerne lettere kunne kombineres og dannes diamanter".
Holdet opdagede også bevis på, at superionisk vand kan forekomme i kombination med diamanter. Denne nyligt identificerede vandfase, der ofte omtales som "varm, sort is", kan findes ved ekstraordinært høje tryk og temperaturer.
Vandmolekyler knækker under disse svære forhold, og oxygenatomer organiserer sig i et krystalgitter, hvor brintkerner frit kan bevæge sig rundt. Superionisk vand kan lede elektrisk strøm på grund af den elektriske ladning på disse fritsvævende kerner, hvilket kan være med til at forklare, hvorfor Uranus og Neptun har ejendommelige magnetfelter.
Resultaterne kan også påvirke vores forståelse af planeter i fjerne galakser, da videnskabsmænd nu mener, at isgiganter er den mest almindelige form for en planet uden for vores solsystem.
SLAC videnskabsmand og samarbejdspartner Silvia Pandolfi sagde, ”Vi ved, at Jordens kerne overvejende er lavet af jern, men mange eksperimenter undersøger stadig, hvordan tilstedeværelsen af lettere grundstoffer kan ændre betingelserne for smeltning og faseovergange. Vores eksperiment viser, hvordan disse elementer kan ændre de forhold, diamanter danner på isgiganter. Hvis vi ønsker at modellere planeter nøjagtigt, er vi nødt til at komme så tæt på den faktiske sammensætning som muligt planetarisk indre".
Undersøgelsen peger også på en potentiel vej til fremstilling af nanodiamanter fra billig PET-plast ved hjælp af laserdrevet stødkompression. Disse små ædelstene bruges i øjeblikket i slibemidler og polermidler. Alligevel kan de også blive brugt i kvantesensorer, medicinske kontrastmidler og reaktionsacceleratorer for vedvarende energi i fremtiden.
SLAC videnskabsmand og samarbejdspartner Benjamin Ofori-Okai sagde, "Måden nanodiamanter laves på i øjeblikket er ved at tage en masse kulstof eller diamant og sprænge det i luften med sprængstoffer. Dette skaber nanodiamanter i forskellige størrelser og former og er svært at kontrollere."
"Det, vi ser i dette eksperiment, er en anden reaktivitet af den samme art under høj temperatur og tryk. I nogle tilfælde ser diamanterne ud til at dannes hurtigere end i andre, hvilket tyder på, at tilstedeværelsen af disse andre kemikalier kan fremskynde denne proces. Laserproduktion kunne tilbyde en renere og lettere styret metode til fremstilling af nanodiamanter. Hvis vi kan designe måder at ændre nogle ting ved reaktiviteten på, kan vi ændre, hvor hurtigt de dannes og dermed hvor store de bliver.”
Forskere planlægger lignende eksperimenter med flydende prøver indeholdende ethanol, vand og ammoniak - hvad Uranus og Neptun for det meste er lavet af - som vil bringe dem tættere på at forstå præcis, hvordan diamantregn dannes på andre planeter.
SLAC videnskabsmand og samarbejdspartner Nicholas Hartley sagde, "Det er spændende, at vi kan genskabe disse ekstreme forhold for at se, hvordan disse processer udspiller sig i meget hurtige, meget små skalaer. Tilføjelse af ilt bringer os tættere på end nogensinde for at se det fulde billede af disse planetariske processer, men der er stadig mere arbejde at gøre. Det er et skridt mod at få den mest realistiske blanding og se, hvordan disse materialer virkelig opfører sig på andre planeter."
Journal Reference:
- Zhiyu He et al. Diamantdannelseskinetik i stødkomprimerede C─H─O-prøver optaget ved småvinklet røntgenspredning og røntgendiffraktion. Science Forskud. bind 8, udgave 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
