Disparar poderosos pulsos de láser a piezas de plástico ha proporcionado nuevos conocimientos sobre cómo los diamantes podrían formarse y llover sobre planetas gigantes de hielo como Neptuno y Urano. El experimento de investigadores en Alemania, Francia y EE. UU. también podría conducir a un mejor proceso industrial para fabricar diamantes aquí en la Tierra.
Miembro del equipo dominik kraus en la Universidad de Rostock explica que el grupo usó láseres ópticos pulsados energéticos para impulsar una onda de compresión de choque en una película de plástico PET. La presión de la ola era aproximadamente un millón de veces la presión atmosférica de la Tierra, lo que simula las condiciones a unos miles de kilómetros por debajo de la superficie de gigantes de hielo como Neptuno y Urano. La onda de choque solo viaja durante unos pocos nanosegundos, pero ese fue tiempo suficiente para que el equipo usara pulsos de femtosegundos de láseres de electrones libres de rayos X para hacer "películas" de los procesos químicos dentro de las muestras comprimidas por choque.
“Utilizamos dos técnicas de diagnóstico principales”, dice Kraus. “La difracción de rayos X, que nos mostró que se están formando estructuras de cristal de diamante, y la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, que proporcionó la in situ distribución del tamaño de los diamantes creados”. Agrega que la combinación de estas dos técnicas en un solo experimento es una forma extremadamente poderosa de caracterizar las reacciones químicas en condiciones tan extremas.
Gigantes de hielo y botellas de plástico.
El PET es el mismo material que se usa en las botellas de plástico, pero en este caso se usó una película de PET simple en lugar del material más grueso que se encuentra en las botellas.
“Usamos plásticos PET porque incluye una mezcla de elementos ligeros que se cree que son los principales constituyentes de los planetas gigantes helados: hidrógeno, carbono, oxígeno”, dice Kraus. “Al mismo tiempo, el PET es estequiométricamente una mezcla de carbono y agua. Queríamos abordar la cuestión de si la precipitación de diamantes puede ocurrir mediante la separación de carbono e hidrógeno en presencia de oxígeno”.
Además de proporcionar información importante sobre los procesos químicos que ocurren en estos planetas distantes, la investigación también proporciona pistas sobre cómo los gigantes de hielo pueden formar campos magnéticos. El campo magnético de la Tierra es creado por el movimiento del hierro líquido en el núcleo exterior de nuestro planeta. Urano y Neptuno tienen campos magnéticos muy diferentes, que algunos científicos planetarios creen que el agua superiónica genera mucho más cerca de la superficie de los planetas. En esta forma de agua, los átomos de oxígeno forman una red cristalina a través de la cual los iones de hidrógeno pueden fluir como un fluido y, por lo tanto, generar campos magnéticos.
“No hemos visto evidencia directa de la formación de agua superiónica en estos experimentos porque la presión probablemente era demasiado baja”, dice Kraus. "Sin embargo, la separación observada de carbono y agua ciertamente apunta a la formación de agua superiónica en planetas como Urano y Neptuno".
Diamantes industriales
La investigación también podría tener implicaciones importantes para la producción industrial de diamantes.
“En nuestro experimento, los diamantes alcanzaron tamaños de alrededor de 2 a 5 nm”, dice Kraus. “Esto es solo de unos 100 a unos 1000 átomos de carbono. Eso es más de 10,000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano. Cabe señalar que en nuestros experimentos los diamantes solo tienen nanosegundos para crecer. Por eso son tan pequeños. En los planetas, por supuesto, crecerán mucho más en millones de años”.
Las fases de hielo superiónico podrían explicar los campos magnéticos inusuales alrededor de Urano y Neptuno
Tal como está, el método utilizado en este experimento no produce suficientes nanodiamantes para acercarse a ser un proceso industrial práctico. Sin embargo, Kraus señala que la nueva técnica es mucho más limpia que el método actual de uso de explosivos para producir nanodiamantes industriales. Estos procesos explosivos son difíciles de controlar y sucios en comparación con la compresión láser de plásticos. Si bien es poco probable que saquemos botellas del vertedero para convertirlas en diamantes a escala industrial, Kraus cree que este proceso podría volverse mucho más eficiente que los métodos actuales.
“Actualmente, creamos solo unos pocos microgramos de nanodiamantes por disparo de láser”, dice Kraus. “Pero el aumento revolucionario en las tasas de disparo de esos láseres debería permitir la producción de cantidades macroscópicas”.
La investigación se describe en Science Advances.
