Jättiläisiä planeettoja, kuten Neptunusta ja Uranusta, on galaksissamme runsaasti. Niiden sisätilat koostuvat pääasiassa veden, metaanin ja ammoniakin tiheästä nesteseoksesta. Äärimmäisten olosuhteiden vuoksi siellä sataa timanttia.
Edellisessä kokeessa tutkijat simuloivat ankaria lämpötiloja ja paineita, joita löydettiin syvältä Neptunus ja Uranusjääjättiläiset. Ensimmäistä kertaa he pystyivät katsomaan timanttisateen muodostumista.
Uusi tutkimus on osoittanut, että "timanttisade", pitkään oletettu eksoottinen sadetyyppi jääjättiplaneetoilla, saattaa olla yleisempää kuin aiemmin on ajateltu. Tutkimus tarjoaa täydellisen kuvan siitä, kuinka timanttisade muodostuu muilla planeetoilla ja täällä maan päällä voi johtaa uuteen tapaan valmistaa nanotimantteja, joilla on laaja valikoima sovelluksia lääkkeiden toimittamisessa, lääketieteellisissä antureissa, noninvasiivisessa kirurgiassa, kestävässä valmistuksessa, ja kvanttielektroniikka.
Siegfried Glanzer, High Energy Density Divisionin johtaja klo SLAC, sanoi, "Aiempi lehti oli ensimmäinen kerta, kun näimme suoraan timanttien muodostus kaikista sekoituksista. Sen jälkeen on tehty monia kokeita erilaisilla puhtailla materiaaleilla. Mutta planeettojen sisällä se on paljon monimutkaisempaa; Seoksessa on paljon muita kemikaaleja. Halusimme siis selvittää, minkälainen vaikutus näillä lisäkemikaaleilla on."
Aiemmassa kokeessa tutkijat tarkastelivat muovimateriaalia, joka koostui vedystä ja hiilestä, jotka ovat kaksi olennaista elementtiä Neptunuksen ja Uranuksen yleisessä kemiallisessa koostumuksessa. Mutta jääjättiläiset sisältävät myös lisäelementtejä, kuten merkittäviä määriä happi ja hiilija vety.
Äskettäisessä kokeessa tutkijat käyttivät PET-muovia toistaakseen näiden planeettojen koostumuksen tarkemmin.
Dominik Kraus, HZDR:n fyysikko ja Rostockin yliopiston professori, sanoi: "PET:llä on hyvä tasapaino hiilen, vedyn ja hapen välillä jääplaneettojen toiminnan simuloimiseksi."
Tutkijat loivat iskuaaltoja PET:ssä käyttämällä suuritehoista optista laseria Matter in Extreme Conditions (MEC) -instrumentissa SLAC:n Linac Coherent Light Sourcessa (LCLS). Sitten he tutkivat, mitä muovissa tapahtui LCLS:n röntgenpulsseilla.
Myöhemmin tutkijat käyttivät röntgendiffraktiota seuratakseen, kuinka materiaalin atomit järjestyivät uudelleen pieniksi timanttialueiksi. Samaan aikaan he käyttivät toista menetelmää, jota kutsutaan pienen kulman sironnan mittaamiseksi, kuinka nopeasti ja suureksi nämä alueet kasvoivat. Tämä menetelmä auttaa heitä määrittämään, että nämä timanttialueet kasvoivat muutaman nanometrin leveiksi. He havaitsivat, että nanotimantit voisivat kehittyä alhaisemmissa paineissa ja lämpötiloissa kuin aiemmin todettiin, kun aineessa oli happea.
Kraus sanoi, "Hapen vaikutus oli kiihdyttää hiilen ja vedyn halkeamista ja siten edistää nanotimanttien muodostumista. Se tarkoitti, että hiiliatomit voisivat yhdistyä helpommin ja muodostua ruutu"
Tiimi löysi myös todisteita siitä, että superionista vettä voi esiintyä yhdessä timanttien kanssa. Tämä hiljattain tunnistettu vesifaasi, jota usein kutsutaan "kuumaksi, mustaksi jääksi", löytyy poikkeuksellisen korkeista paineista ja lämpötiloista.
Vesimolekyylit hajoavat näissä ankarissa olosuhteissa, ja happiatomit järjestäytyvät kidehilaksi, jossa vetyytimet voivat liikkua vapaasti. Superioninen vesi voi johtaa sähkövirtaa näiden vapaasti kelluvien ytimien sähkövarauksen vuoksi, mikä voi auttaa selittämään, miksi Uranuksella ja Neptunuksella on omalaatuiset magneettikentät.
Löydökset voivat myös vaikuttaa ymmärryksemme kaukaisten galaksien planeetoista, koska tutkijat uskovat nyt, että jääjättiläiset ovat aurinkokuntamme ulkopuolisen planeetan yleisin muoto.
SLAC-tutkija ja yhteistyökumppani Silvia Pandolfi sanoi, "Tiedämme, että Maan ydin on pääosin raudasta, mutta monissa kokeissa selvitetään edelleen, kuinka kevyempien alkuaineiden läsnäolo voi muuttaa sulamis- ja faasimuutosolosuhteita. Kokeemme osoittaa, kuinka nämä elementit voivat muuttaa olosuhteita, joissa timantit muodostuvat jääjättiläisille. Jos haluamme mallintaa planeettoja tarkasti, meidän on päästävä mahdollisimman lähelle planeetan todellista koostumusta planetaarinen sisäpuoli"
Tutkimus osoittaa myös mahdollisen tavan valmistaa nanotimantteja edullisista PET-muoveista käyttämällä laserohjattua iskupuristusta. Näitä pieniä jalokiviä käytetään nykyään hioma- ja kiillotusaineissa. Silti niitä voidaan tulevaisuudessa hyödyntää myös kvanttiantureissa, lääkevarjoaineissa ja uusiutuvan energian reaktiokiihdyttimissä.
SLAC-tutkija ja yhteistyökumppani Benjamin Ofori-Okai sanoi, "Nanotimantit valmistetaan tällä hetkellä ottamalla nippu hiiltä tai timanttia ja räjäyttämällä se räjähteillä. Näin syntyy erikokoisia ja -muotoisia nanotimantteja, joita on vaikea hallita."
"Näemme tässä kokeessa saman lajin erilaisen reaktiivisuuden korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Joissakin tapauksissa timantit näyttävät muodostuvan nopeammin kuin toisissa, mikä viittaa siihen, että näiden muiden kemikaalien läsnäolo voi nopeuttaa tätä prosessia. Lasertuotanto voisi tarjota puhtaamman ja helpommin hallittavan menetelmän nanotimanttien valmistamiseksi. Jos voimme suunnitella tapoja muuttaa joitain asioita reaktiivisuudesta, voimme muuttaa kuinka nopeasti ne muodostuvat ja kuinka suuria niistä tulee."
Tiedemiehet suunnittelevat samanlaisia kokeita nestemäisillä näytteillä, jotka sisältävät etanolia, vettä ja ammoniakkia – mistä Uranus ja Neptunus enimmäkseen on tehty – mikä tuo heidät lähemmäksi ymmärtämään tarkasti, kuinka timanttisade muodostuu muilla planeetoilla.
SLAC-tutkija ja yhteistyökumppani Nicholas Hartley sanoi, ”Se, että voimme luoda nämä äärimmäiset olosuhteet uudelleen nähdäksemme, kuinka nämä prosessit toimivat hyvin nopeasti, hyvin pienissä mittakaavassa, on jännittävää. Hapen lisääminen tuo meidät lähemmäs kuin koskaan nähdäksemme täydellisen kuvan näistä planeettaprosesseista, mutta työtä on vielä tehtävänä. Se on askel kohti realistisimman seoksen saamista ja sen näkemistä, kuinka nämä materiaalit todella käyttäytyvät muilla planeetoilla.
Lehden viite:
- Zhiyu He et ai. Timanttien muodostumisen kinetiikka iskupuristetuissa C─H─O-näytteissä, jotka on tallennettu pienen kulman röntgensironnalla ja röntgendiffraktiolla. Tiede ennakot. Vol 8, Issue 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
