Affyring af kraftige laserimpulser mod plastikstykker har givet ny indsigt i, hvordan diamanter kunne dannes og regne ned på isgigantiske planeter som Neptun og Uranus. Eksperimentet udført af forskere i Tyskland, Frankrig og USA kan også føre til en bedre industriel proces til fremstilling af diamanter her på Jorden.
Medarbejder Dominik Kraus ved University of Rostock forklarer, at gruppen brugte energiske pulserende optiske lasere til at drive en stødkompressionsbølge ind i en film af PET-plast. Bølgens tryk var omkring en million gange Jordens atmosfæriske tryk, hvilket simulerer forhold et par tusinde kilometer under overfladen af isgiganter som Neptun og Uranus. Chokbølgen rejser kun i et par nanosekunder, men det var nok tid til, at holdet kunne bruge femtosekundimpulser fra røntgenfri elektronlasere til at lave "film" af de kemiske processer inde i de stødkomprimerede prøver.
"Vi brugte to primære diagnostiske teknikker," siger Kraus. "Røntgendiffraktion, som viste os, at diamantkrystalstrukturer dannes, og røntgenspredning med små vinkler, som gav in situ størrelsesfordeling af de skabte diamanter." Han tilføjer, at kombinationen af disse to teknikker i et enkelt eksperiment er en ekstremt kraftfuld måde at karakterisere kemiske reaktioner under så ekstreme forhold.
Isgiganter og plastikflasker
PET er det samme materiale, der bruges i plastikflasker, men i dette tilfælde blev der brugt en simpel PET-film frem for det tykkere materiale, der findes i flasker.
"Vi brugte PET-plast, fordi det indeholder en blanding af lette elementer, som menes at være hovedbestanddelene i de iskolde gigantiske planeter: brint, kulstof, ilt," siger Kraus. ”Samtidig er PET støkiometrisk en blanding af kulstof og vand. Vi ønskede at tackle spørgsmålet om, hvorvidt diamantudfældning kan ske via afblanding af kulstof og brint i nærvær af ilt."
Udover at give vigtig indsigt i kemiske processer, der forekommer på disse fjerne planeter, giver forskningen også fingerpeg om, hvordan isgiganter kan danne magnetiske felter. Jordens magnetfelt skabes af flydende jerns bevægelse i vores planets ydre kerne. Uranus og Neptun har meget forskellige magnetfelter, som nogle planetforskere mener er genereret meget tættere på planeternes overflader af superionisk vand. I denne form for vand danner iltatomerne et krystalgitter, hvorigennem hydrogenioner kan strømme som en væske og derfor generere magnetiske felter.
"Vi har ikke set direkte beviser for dannelsen af superionisk vand i disse eksperimenter, da trykket sandsynligvis var for lavt," siger Kraus. "Men den observerede afblanding af kulstof og vand peger bestemt på dannelsen af superionisk vand i planeter som Uranus og Neptun."
Industrielle diamanter
Forskningen kan også få vigtige konsekvenser for den industrielle produktion af diamanter.
"I vores eksperiment nåede diamanterne størrelser på omkring 2-5 nm," siger Kraus. "Dette er blot nogle få 100 til nogle få 1000 kulstofatomer. Det er mere end 10,000 gange mindre end tykkelsen af et menneskehår. Det skal bemærkes, at i vores eksperimenter har diamanterne kun nanosekunder til at vokse. Det er derfor, de er så små. På planeter vil de selvfølgelig vokse sig meget større inden for millioner af år.”
Superioniske isfaser kunne forklare usædvanlige magnetiske felter omkring Uranus og Neptun
Som det ser ud, producerer metoden i dette eksperiment ikke nok nanodiamanter til at komme tæt på at være en praktisk industriel proces. Kraus påpeger dog, at den nye teknik er meget renere end den nuværende metode til at bruge sprængstoffer til at fremstille industrielle nanodiamanter. Disse eksplosive processer er svære at kontrollere og snavsede sammenlignet med laserchokkompression af plast. Selvom det er usandsynligt, at vi vil grave flasker ud af lossepladsen for at omdanne dem til diamanter i industriel skala, mener Kraus, at denne proces kan blive meget mere effektiv end de nuværende metoder.
"I øjeblikket skaber vi kun et par mikrogram nanodiamanter pr. laserskud," siger Kraus. "Men den revolutionerende stigning i skudhastigheden af disse lasere burde tillade produktionen af makroskopiske mængder."
Forskningen er beskrevet i Science Forskud.
