Η εκτόξευση ισχυρών παλμών λέιζερ σε κομμάτια πλαστικού έχει προσφέρει νέες ιδέες για το πώς τα διαμάντια θα μπορούσαν να σχηματιστούν και να πέφτουν βροχή σε γιγάντιους πλανήτες όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός. Το πείραμα από ερευνητές στη Γερμανία, τη Γαλλία και τις ΗΠΑ θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε μια καλύτερη βιομηχανική διαδικασία για την κατασκευή διαμαντιών εδώ στη Γη.
Μέλος της ομάδας Ντόμινικ Κράους στο Πανεπιστήμιο του Ρόστοκ εξηγεί ότι η ομάδα χρησιμοποίησε ενεργητικά παλμικά οπτικά λέιζερ για να οδηγήσει ένα κρουστικό κύμα συμπίεσης σε ένα φιλμ από πλαστικό PET. Η πίεση του κύματος ήταν περίπου ένα εκατομμύριο φορές η ατμοσφαιρική πίεση της Γης, η οποία προσομοιώνει συνθήκες μερικές χιλιάδες χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια γιγάντων πάγου όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός. Το ωστικό κύμα ταξιδεύει μόνο για λίγα νανοδευτερόλεπτα, αλλά αυτός ήταν αρκετός χρόνος για την ομάδα να χρησιμοποιήσει παλμούς φεμτοδευτερολέπτου από λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ για να κάνει «ταινίες» των χημικών διεργασιών μέσα στα συμπιεσμένα με κραδασμούς δείγματα.
«Χρησιμοποιήσαμε δύο κύριες διαγνωστικές τεχνικές», λέει ο Kraus. «Η περίθλαση ακτίνων Χ, η οποία μας έδειξε ότι σχηματίζονται κρυσταλλικές δομές διαμαντιού και η σκέδαση ακτίνων Χ μικρής γωνίας, η οποία παρείχε επί τόπου κατανομή μεγέθους των διαμαντιών που δημιουργήθηκαν». Προσθέτει ότι ο συνδυασμός αυτών των δύο τεχνικών σε ένα μόνο πείραμα είναι ένας εξαιρετικά ισχυρός τρόπος χαρακτηρισμού χημικών αντιδράσεων κάτω από τέτοιες ακραίες συνθήκες.
Γίγαντες πάγου και πλαστικά μπουκάλια
Το PET είναι το ίδιο υλικό που χρησιμοποιείται στα πλαστικά μπουκάλια, αλλά στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιήθηκε μια απλή μεμβράνη PET αντί για το παχύτερο υλικό που βρίσκεται στα μπουκάλια.
«Χρησιμοποιήσαμε πλαστικά PET επειδή περιλαμβάνει ένα μείγμα ελαφρών στοιχείων που πιστεύεται ότι είναι τα κύρια συστατικά των παγωμένων γιγάντιων πλανητών: υδρογόνο, άνθρακας, οξυγόνο», λέει ο Kraus. «Ταυτόχρονα, το PET είναι στοιχειομετρικά ένα μείγμα άνθρακα και νερού. Θέλαμε να αντιμετωπίσουμε το ερώτημα εάν η κατακρήμνιση διαμαντιών μπορεί να συμβεί μέσω απομίξης άνθρακα και υδρογόνου παρουσία οξυγόνου».
Εκτός από την παροχή σημαντικών πληροφοριών για τις χημικές διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτούς τους μακρινούς πλανήτες, η έρευνα παρέχει επίσης ενδείξεις για το πώς οι γίγαντες πάγου μπορούν να σχηματίσουν μαγνητικά πεδία. Το μαγνητικό πεδίο της Γης δημιουργείται από την κίνηση του υγρού σιδήρου στον εξωτερικό πυρήνα του πλανήτη μας. Ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας έχουν πολύ διαφορετικά μαγνητικά πεδία, τα οποία ορισμένοι πλανητικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι δημιουργούνται πολύ πιο κοντά στις επιφάνειες των πλανητών από το υπεριονικό νερό. Σε αυτή τη μορφή νερού, τα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα μέσω του οποίου τα ιόντα υδρογόνου μπορούν να ρέουν σαν ρευστό και επομένως να δημιουργήσουν μαγνητικά πεδία.
«Δεν έχουμε δει άμεσες ενδείξεις για το σχηματισμό υπεριονικού νερού σε αυτά τα πειράματα, καθώς η πίεση ήταν πιθανώς πολύ χαμηλή», λέει ο Kraus. «Ωστόσο, η παρατηρούμενη απομίξη άνθρακα και νερού σίγουρα δείχνει τον σχηματισμό υπεριονικού νερού σε πλανήτες όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας».
Βιομηχανικά διαμάντια
Η έρευνα θα μπορούσε επίσης να έχει σημαντικές επιπτώσεις στη βιομηχανική παραγωγή διαμαντιών.
«Στο πείραμά μας τα διαμάντια έφτασαν σε μεγέθη περίπου 2-5 nm», λέει ο Kraus. «Αυτά είναι μόνο μερικά 100 έως μερικά 1000 άτομα άνθρακα. Αυτό είναι περισσότερο από 10,000 φορές μικρότερο από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Πρέπει να σημειωθεί ότι στα πειράματά μας τα διαμάντια έχουν μόνο νανοδευτερόλεπτα για να αναπτυχθούν. Γι' αυτό είναι τόσο μικρά. Στους πλανήτες, φυσικά θα μεγαλώσουν πολύ μέσα σε εκατομμύρια χρόνια».
Οι υπεριονικές φάσεις πάγου θα μπορούσαν να εξηγήσουν ασυνήθιστα μαγνητικά πεδία γύρω από τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα
Ως έχει, η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα δεν παράγει αρκετά νανοδιαμάντια ώστε να είναι μια πρακτική βιομηχανική διαδικασία. Ωστόσο, ο Kraus επισημαίνει ότι η νέα τεχνική είναι πολύ πιο καθαρή από την τρέχουσα μέθοδο χρήσης εκρηκτικών για την παραγωγή βιομηχανικών νανοδιαμαντιών. Αυτές οι εκρηκτικές διεργασίες είναι δύσκολο να ελεγχθούν και είναι βρώμικες σε σύγκριση με τη συμπίεση με λέιζερ των πλαστικών. Αν και είναι απίθανο να σκάβουμε μπουκάλια από τη χωματερή για να τα μετατρέψουμε σε διαμάντια σε βιομηχανική κλίμακα, ο Kraus πιστεύει ότι αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να γίνει πολύ πιο αποτελεσματική από τις τρέχουσες μεθόδους.
«Προς το παρόν, δημιουργούμε μόνο μερικά μικρογραμμάρια νανοδιαμαντιών ανά λήψη λέιζερ», λέει ο Kraus. «Αλλά η επαναστατική αύξηση στους ρυθμούς λήψης αυτών των λέιζερ θα πρέπει να επιτρέψει την παραγωγή μακροσκοπικών ποσοτήτων».
Η έρευνα περιγράφεται στο Προκαταβολές Επιστήμη.
