Οι γιγάντιοι πλανήτες του πάγου όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός είναι σε αφθονία στον γαλαξία μας. Το εσωτερικό τους αποτελείται κυρίως από ένα πυκνό ρευστό μείγμα νερού, μεθανίου και αμμωνίας. Λόγω ακραίων συνθηκών, βρέχει διαμάντι.
Σε ένα προηγούμενο πείραμα, οι επιστήμονες προσομοίωσαν τις έντονες θερμοκρασίες και τις πιέσεις που βρέθηκαν βαθιά μέσα Ποσειδώνας και Ουρανόςγίγαντες του πάγου. Για πρώτη φορά, μπόρεσαν να παρακολουθήσουν τη βροχή με διαμάντια.
Μια νέα μελέτη διαπίστωσε ότι η «διαμαντένια βροχή», ένας εξωτικός τύπος βροχόπτωσης που υποτίθεται εδώ και καιρό σε γιγάντιους πλανήτες πάγου, θα μπορούσε να είναι πιο συνηθισμένος από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Η μελέτη προσφέρει μια πλήρη εικόνα του πώς σχηματίζεται η βροχή με διαμάντια σε άλλους πλανήτες και, εδώ στη Γη, θα μπορούσε να οδηγήσει σε έναν νέο τρόπο κατασκευής νανοδιαμαντιών, τα οποία έχουν μια τεράστια γκάμα εφαρμογών στη διανομή φαρμάκων, ιατρικούς αισθητήρες, μη επεμβατικές χειρουργικές επεμβάσεις, βιώσιμη παραγωγή. και την κβαντική ηλεκτρονική.
Siegfried Glanzer, διευθυντής του Τμήματος Υψηλής Πυκνότητας Ενέργειας στο SLAC, είπε, «Η προηγούμενη εφημερίδα ήταν η πρώτη φορά που είδαμε άμεσα σχηματισμός διαμαντιών από τυχόν μείγματα. Από τότε έχουν γίνει πολλά πειράματα με διαφορετικά καθαρά υλικά. Αλλά μέσα στους πλανήτες, είναι πολύ πιο περίπλοκο. πολλά περισσότερα χημικά είναι στο μείγμα. Και έτσι, αυτό που θέλαμε να καταλάβουμε εδώ ήταν τι είδους επίδραση έχουν αυτές οι πρόσθετες χημικές ουσίες».
Σε ένα προηγούμενο πείραμα, οι επιστήμονες εξέτασαν ένα πλαστικό υλικό που αποτελείται από υδρογόνο και άνθρακα, δύο βασικά στοιχεία της συνολικής χημικής σύνθεσης του Ποσειδώνα και του Ουρανού. Αλλά οι γίγαντες του πάγου περιλαμβάνουν επίσης πρόσθετα στοιχεία, όπως σημαντικές ποσότητες οξυγόνο και άνθρακαςκαι υδρογόνο.
Σε ένα πρόσφατο πείραμα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν πλαστικό PET για να αναπαράγουν τη σύνθεση αυτών των πλανητών με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Ο Dominik Kraus, φυσικός στο HZDR και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Rostock, είπε: «Το PET έχει μια καλή ισορροπία μεταξύ άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου για την προσομοίωση της δραστηριότητας σε πλανήτες πάγου».
Οι επιστήμονες δημιούργησαν κρουστικά κύματα στο PET χρησιμοποιώντας ένα υψηλής ισχύος οπτικό λέιζερ στο όργανο Matter in Extreme Conditions (MEC) στη συνεκτική πηγή φωτός (LCLS) της SLAC. Στη συνέχεια διερεύνησαν τι συνέβη στο πλαστικό με παλμούς ακτίνων Χ από το LCLS.
Οι επιστήμονες αργότερα χρησιμοποίησαν περίθλαση ακτίνων Χ για να παρακολουθήσουν τα άτομα του υλικού να αναδιατάσσονται σε μικρές περιοχές διαμαντιών. Ταυτόχρονα, χρησιμοποίησαν μια άλλη μέθοδο που ονομάζεται σκέδαση μικρής γωνίας για να μετρήσουν πόσο γρήγορα και μεγάλες μεγάλωσαν αυτές οι περιοχές. Αυτή η μέθοδος τους βοηθά να προσδιορίσουν ότι αυτές οι περιοχές διαμαντιών μεγάλωσαν έως και μερικά νανόμετρα. Ανακάλυψαν ότι τα νανοδιαμάντια θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε χαμηλότερες πιέσεις και θερμοκρασίες από ό,τι παρατηρήθηκε προηγουμένως όταν υπήρχε οξυγόνο στην ουσία.
Ο Kraus είπε, «Η επίδραση του οξυγόνου ήταν να επιταχύνει τη διάσπαση του άνθρακα και του υδρογόνου και έτσι να ενθαρρύνει το σχηματισμό νανοδιαμαντιών. Αυτό σήμαινε ότι τα άτομα άνθρακα θα μπορούσαν να συνδυαστούν πιο εύκολα και να σχηματιστούν διαμάντια. "
Η ομάδα ανακάλυψε επίσης την απόδειξη ότι το υπεριονικό νερό μπορεί να εμφανιστεί σε συνδυασμό με διαμάντια. Αυτή η υδατική φάση που αναγνωρίστηκε πρόσφατα και αναφέρεται συχνά ως «καυτός, μαύρος πάγος», μπορεί να βρεθεί σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες.
Τα μόρια του νερού σπάνε κάτω από αυτές τις σοβαρές συνθήκες και τα άτομα οξυγόνου οργανώνονται σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα όπου οι πυρήνες υδρογόνου είναι ελεύθεροι να κινούνται. Το υπεριονικό νερό μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα λόγω του ηλεκτρικού φορτίου σε αυτούς τους πυρήνες που επιπλέουν ελεύθερα, κάτι που μπορεί να βοηθήσει να εξηγηθεί γιατί ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας έχουν περίεργα μαγνητικά πεδία.
Τα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να επηρεάσουν την κατανόησή μας για τους πλανήτες σε μακρινούς γαλαξίες, καθώς οι επιστήμονες πιστεύουν τώρα ότι οι γίγαντες πάγου είναι η πιο κοινή μορφή πλανήτη εκτός του ηλιακού μας συστήματος.
Η επιστήμονας και συνεργάτης του SLAC Silvia Pandolfi είπε, «Γνωρίζουμε ότι ο πυρήνας της Γης αποτελείται κυρίως από σίδηρο, αλλά πολλά πειράματα εξακολουθούν να διερευνούν πώς η παρουσία ελαφρύτερων στοιχείων μπορεί να αλλάξει τις συνθήκες τήξης και μετάβασης φάσης. Το πείραμά μας δείχνει πώς αυτά τα στοιχεία μπορούν να αλλάξουν τις συνθήκες που σχηματίζονται τα διαμάντια στους γίγαντες πάγου. Αν θέλουμε να μοντελοποιήσουμε με ακρίβεια τους πλανήτες, πρέπει να πλησιάσουμε όσο μπορούμε την πραγματική σύνθεση των πλανητών πλανητικό εσωτερικό. "
Η μελέτη επισημαίνει επίσης μια πιθανή οδό για την κατασκευή νανοδιαμαντιών από φθηνά πλαστικά PET χρησιμοποιώντας συμπίεση κραδασμών με λέιζερ. Αυτά τα μικροσκοπικά πετράδια χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε λειαντικά και στιλβωτικά μέσα. Ωστόσο, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε κβαντικούς αισθητήρες, φαρμακευτικούς παράγοντες αντίθεσης και επιταχυντές αντιδράσεων ανανεώσιμης ενέργειας στο μέλλον.
Ο επιστήμονας και συνεργάτης του SLAC Benjamin Ofori-Okai είπε, «Ο τρόπος που κατασκευάζονται τα νανοδιαμάντια αυτή τη στιγμή είναι παίρνοντας ένα μάτσο άνθρακα ή διαμάντι και ανατινάζοντάς το με εκρηκτικά. Αυτό δημιουργεί νανοδιαμάντια διαφόρων μεγεθών και σχημάτων και είναι δύσκολο να ελεγχθεί».
«Αυτό που βλέπουμε σε αυτό το πείραμα είναι μια διαφορετική αντιδραστικότητα του ίδιου είδους υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα διαμάντια φαίνεται να σχηματίζονται πιο γρήγορα από ό,τι σε άλλες, γεγονός που υποδηλώνει ότι η παρουσία αυτών των άλλων χημικών ουσιών μπορεί να επιταχύνει αυτή τη διαδικασία. Η παραγωγή λέιζερ θα μπορούσε να προσφέρει μια καθαρότερη και πιο εύκολα ελεγχόμενη μέθοδο παραγωγής νανοδιαμαντιών. Εάν μπορούμε να σχεδιάσουμε τρόπους για να αλλάξουμε κάποια πράγματα σχετικά με την αντιδραστικότητα, μπορούμε να αλλάξουμε πόσο γρήγορα σχηματίζονται και επομένως πόσο μεγαλώνουν».
Οι επιστήμονες σχεδιάζουν παρόμοια πειράματα χρησιμοποιώντας υγρά δείγματα που περιέχουν αιθανόλη, νερό και αμμωνία – από αυτά που αποτελούνται κυρίως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας – που θα τους φέρει πιο κοντά στην κατανόηση του πώς ακριβώς σχηματίζεται η βροχή διαμαντιών σε άλλους πλανήτες.
Ο επιστήμονας και συνεργάτης του SLAC Nicholas Hartley είπε, «Το γεγονός ότι μπορούμε να αναδημιουργήσουμε αυτές τις ακραίες συνθήκες για να δούμε πώς εξελίσσονται αυτές οι διαδικασίες σε πολύ γρήγορα, πολύ μικρές κλίμακες είναι συναρπαστικό. Η προσθήκη οξυγόνου μας φέρνει πιο κοντά από ποτέ για να δούμε την πλήρη εικόνα αυτών των πλανητικών διεργασιών, αλλά υπάρχει ακόμα περισσότερη δουλειά να γίνει. Είναι ένα βήμα προς την απόκτηση του πιο ρεαλιστικού μείγματος και να δούμε πώς πραγματικά συμπεριφέρονται αυτά τα υλικά σε άλλους πλανήτες».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Οι Zhiyu He et al. Κινητική σχηματισμού διαμαντιών σε δείγματα C─H─O με συμπίεση κραδασμών που καταγράφηκαν με σκέδαση ακτίνων Χ μικρής γωνίας και περίθλαση ακτίνων Χ. Προκαταβολές Επιστήμη. Τόμος 8, Τεύχος 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
