Los planetas gigantes de hielo como Neptuno y Urano son muy abundantes en nuestra galaxia. Sus interiores están compuestos principalmente por una densa mezcla fluida de agua, metano y amoníaco. Debido a las condiciones extremas, llueve diamante.
En un experimento anterior, los científicos simularon las severas temperaturas y presiones que se encuentran en el interior Neptuno y UranoLos gigantes de hielo. Por primera vez, pudieron ver cómo se formaba una lluvia de diamantes.
Un nuevo estudio ha encontrado que la "lluvia de diamantes", un tipo de precipitación exótica hipotética desde hace mucho tiempo en los planetas gigantes de hielo, podría ser más común de lo que se pensaba anteriormente. El estudio ofrece una imagen completa de cómo se forma la lluvia de diamantes en otros planetas y, aquí en la Tierra, podría conducir a una nueva forma de fabricar nanodiamantes, que tienen una amplia gama de aplicaciones en la administración de fármacos, sensores médicos, cirugía no invasiva, fabricación sostenible, y electrónica cuántica.
Siegfried Glanzer, director de la División de Alta Densidad de Energía de SLAC, dijo, “El artículo anterior fue la primera vez que vimos directamente formación de diamantes de cualquier mezcla. Desde entonces, ha habido muchos experimentos con diferentes materiales puros. Pero dentro de los planetas, es mucho más complicado; muchos más productos químicos están en la mezcla. Entonces, lo que queríamos averiguar aquí era qué tipo de efecto tienen estos químicos adicionales”.
En un experimento anterior, los científicos observaron un material plástico que consiste en hidrógeno y carbono, dos elementos esenciales de la composición química general de Neptuno y Urano. Pero los gigantes de hielo también incluyen elementos adicionales, como cantidades significativas de oxígeno y carbonoe hidrógeno.
En un experimento reciente, los científicos utilizaron plástico PET para reproducir con mayor precisión la composición de estos planetas.
Dominik Kraus, físico de HZDR y profesor de la Universidad de Rostock, dijo: “PET tiene un buen equilibrio entre carbono, hidrógeno y oxígeno para simular la actividad en los planetas de hielo”.
Los científicos crearon ondas de choque en el PET utilizando un láser óptico de alta potencia en el instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) en la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC. Luego exploraron lo que sucedió en el plástico con pulsos de rayos X de LCLS.
Posteriormente, los científicos utilizaron la difracción de rayos X para observar cómo los átomos del material se reorganizaban en pequeñas regiones de diamantes. Al mismo tiempo, utilizaron otro método llamado dispersión de ángulo pequeño para medir qué tan rápido y grande crecían esas regiones. Este método les ayuda a determinar que estas regiones de diamantes crecieron hasta unos pocos nanómetros de ancho. Descubrieron que los nanodiamantes podían desarrollarse a presiones y temperaturas más bajas que las observadas anteriormente cuando el oxígeno estaba presente en la sustancia.
kraus dijo, “El efecto del oxígeno fue acelerar la división del carbono y el hidrógeno y así fomentar la formación de nanodiamantes. Significaba que los átomos de carbono podían combinarse más fácilmente y formar diamantes."
El equipo también descubrió pruebas de que el agua superiónica podría ocurrir en combinación con diamantes. Esta fase de agua recientemente identificada, a la que se hace referencia frecuentemente como "hielo negro caliente", se puede encontrar a presiones y temperaturas extraordinariamente altas.
Las moléculas de agua se rompen en estas condiciones severas y los átomos de oxígeno se organizan en una red cristalina donde los núcleos de hidrógeno pueden moverse libremente. El agua superiónica puede conducir corriente eléctrica debido a la carga eléctrica en estos núcleos que flotan libremente, lo que puede ayudar a explicar por qué Urano y Neptuno tienen campos magnéticos peculiares.
Los hallazgos también podrían afectar nuestra comprensión de los planetas en galaxias distantes, ya que los científicos ahora creen que los gigantes de hielo son la forma más común de un planeta fuera de nuestro sistema solar.
La científica y colaboradora de SLAC, Silvia Pandolfi, dijo: “Sabemos que el núcleo de la Tierra está hecho predominantemente de hierro, pero aún se están realizando muchos experimentos para investigar cómo la presencia de elementos más ligeros puede cambiar las condiciones de fusión y las transiciones de fase. Nuestro experimento demuestra cómo estos elementos pueden cambiar las condiciones en que se forman los diamantes en los gigantes de hielo. Si queremos modelar planetas con precisión, necesitamos acercarnos lo más que podamos a la composición real del interiores planetarios."
El estudio también apunta a una ruta potencial para la fabricación de nanodiamantes a partir de plásticos PET de bajo costo utilizando compresión de choque impulsada por láser. Estas diminutas gemas se utilizan actualmente en abrasivos y agentes de pulido. Aún así, también pueden utilizarse en sensores cuánticos, agentes de contraste medicinales y aceleradores de reacción de energía renovable en el futuro.
El científico y colaborador de SLAC, Benjamin Ofori-Okai, dijo: “Actualmente, la forma en que se fabrican los nanodiamantes es tomando un montón de carbono o diamante y explotándolos con explosivos. Esto crea nanodiamantes de varios tamaños y formas y es difícil de controlar”.
“Lo que estamos viendo en este experimento es una reactividad diferente de la misma especie bajo alta temperatura y presión. En algunos casos, los diamantes parecen formarse más rápido que en otros, lo que sugiere que la presencia de estos otros químicos puede acelerar este proceso. La producción con láser podría ofrecer un método más limpio y más fácil de controlar para producir nanodiamantes. Si podemos diseñar formas de cambiar algunas cosas sobre la reactividad, podemos cambiar la rapidez con la que se forman y, por lo tanto, el tamaño que adquieren”.
Los científicos están planeando experimentos similares utilizando muestras líquidas que contienen etanol, agua y amoníaco, de lo que están hechos principalmente Urano y Neptuno, lo que los acercará a comprender exactamente cómo se forma la lluvia de diamantes en otros planetas.
Científico y colaborador de SLAC, Nicholas Hartley dijo, “El hecho de que podamos recrear estas condiciones extremas para ver cómo se desarrollan estos procesos en escalas muy pequeñas y muy rápidas es emocionante. Agregar oxígeno nos acerca más que nunca a ver la imagen completa de estos procesos planetarios, pero aún queda más trabajo por hacer. Es un paso para obtener la mezcla más realista y ver cómo se comportan realmente estos materiales en otros planetas”.
Referencia de la revista:
- Zhiyu He et al. Cinética de formación de diamantes en muestras de C─H─O comprimidas por choque registradas por dispersión de rayos X de ángulo pequeño y difracción de rayos X. Science Advances. Vol. 8, número 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
