Das Abfeuern starker Laserpulse auf Plastikteile hat neue Erkenntnisse darüber geliefert, wie sich Diamanten bilden und auf Eisriesenplaneten wie Neptun und Uranus herabregnen können. Das Experiment von Forschern in Deutschland, Frankreich und den USA könnte auch zu einem besseren industriellen Verfahren zur Herstellung von Diamanten hier auf der Erde führen.
Teammitglied Dominik Kraus an der Universität Rostock erklärt, dass die Gruppe energiereiche gepulste optische Laser verwendete, um eine Stoßkompressionswelle in eine Folie aus PET-Kunststoff zu treiben. Der Druck der Welle betrug etwa das Millionenfache des atmosphärischen Drucks der Erde, was die Bedingungen einige tausend Kilometer unter der Oberfläche von Eisriesen wie Neptun und Uranus simuliert. Die Stoßwelle bewegt sich nur wenige Nanosekunden lang, aber das war genug Zeit für das Team, Femtosekundenpulse von Freie-Elektronen-Röntgenlasern zu verwenden, um „Filme“ der chemischen Prozesse in den stoßkomprimierten Proben zu machen.
„Wir haben zwei Hauptdiagnosetechniken verwendet“, sagt Kraus. „Röntgenbeugung, die uns zeigte, dass sich Diamantkristallstrukturen bilden, und Kleinwinkel-Röntgenstreuung, die dies lieferte in-situ Größenverteilung der erzeugten Diamanten.“ Er fügt hinzu, dass die Kombination dieser beiden Techniken in einem einzigen Experiment eine äußerst leistungsfähige Methode zur Charakterisierung chemischer Reaktionen unter solch extremen Bedingungen darstellt.
Eisriesen und Plastikflaschen
PET ist das gleiche Material, das auch für Plastikflaschen verwendet wird, aber in diesem Fall wurde anstelle des dickeren Materials, das in Flaschen zu finden ist, eine einfache PET-Folie verwendet.
„Wir haben PET-Kunststoff verwendet, weil er eine Mischung aus leichten Elementen enthält, von denen angenommen wird, dass sie die Hauptbestandteile der eisigen Riesenplaneten sind: Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff“, sagt Kraus. „Gleichzeitig ist PET stöchiometrisch eine Mischung aus Kohlenstoff und Wasser. Wir wollten der Frage nachgehen, ob die Diamantausscheidung durch Entmischung von Kohlenstoff und Wasserstoff in Gegenwart von Sauerstoff erfolgen kann.“
Die Forschung liefert nicht nur wichtige Einblicke in chemische Prozesse, die auf diesen fernen Planeten ablaufen, sondern auch Hinweise darauf, wie Eisriesen Magnetfelder bilden können. Das Magnetfeld der Erde entsteht durch die Bewegung von flüssigem Eisen im äußeren Kern unseres Planeten. Uranus und Neptun haben sehr unterschiedliche Magnetfelder, von denen einige Planetenwissenschaftler glauben, dass sie durch superionisches Wasser viel näher an den Oberflächen der Planeten erzeugt werden. In dieser Form von Wasser bilden die Sauerstoffatome ein Kristallgitter, durch das Wasserstoffionen wie eine Flüssigkeit strömen können und so Magnetfelder erzeugen.
„Wir haben in diesen Experimenten keine direkten Beweise für die Bildung von superionischem Wasser gesehen, da der Druck wahrscheinlich zu niedrig war“, sagt Kraus. „Die beobachtete Entmischung von Kohlenstoff und Wasser weist jedoch mit Sicherheit auf die Bildung von superionischem Wasser in Planeten wie Uranus und Neptun hin.“
Industriediamanten
Die Forschung könnte auch wichtige Auswirkungen auf die industrielle Produktion von Diamanten haben.
„In unserem Experiment erreichten die Diamanten Größen von etwa 2–5 nm“, sagt Kraus. „Das sind nur wenige 100 bis wenige 1000 Kohlenstoffatome. Das ist mehr als 10,000 Mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Es sollte beachtet werden, dass die Diamanten in unseren Experimenten nur Nanosekunden zum Wachsen haben. Deshalb sind sie so klein. Auf Planeten werden sie natürlich innerhalb von Millionen von Jahren viel größer.“
Superionische Eisphasen könnten ungewöhnliche Magnetfelder um Uranus und Neptun erklären
So wie es aussieht, produziert die in diesem Experiment verwendete Methode nicht genügend Nanodiamanten, um einem praktischen industriellen Prozess nahe zu kommen. Kraus weist jedoch darauf hin, dass die neue Technik viel sauberer ist als die derzeitige Methode, Sprengstoffe zur Herstellung industrieller Nanodiamanten zu verwenden. Diese explosiven Prozesse sind im Vergleich zur Laserstoßverdichtung von Kunststoffen schwer kontrollierbar und schmutzig. Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass wir Flaschen aus der Mülldeponie graben werden, um sie im industriellen Maßstab in Diamanten umzuwandeln, glaubt Kraus, dass dieser Prozess viel effizienter werden könnte als die derzeitigen Methoden.
„Aktuell erzeugen wir nur wenige Mikrogramm Nanodiamanten pro Laserschuss“, sagt Kraus. „Aber die revolutionäre Erhöhung der Schussraten dieser Laser sollte die Produktion makroskopischer Mengen ermöglichen.“
Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft Fortschritte.
