Le fait de tirer de puissantes impulsions laser sur des morceaux de plastique a fourni de nouvelles informations sur la façon dont les diamants pourraient se former et pleuvoir sur des planètes géantes de glace telles que Neptune et Uranus. L'expérience menée par des chercheurs en Allemagne, en France et aux États-Unis pourrait également conduire à un meilleur processus industriel de fabrication de diamants ici sur Terre.
Membre de l'équipe Dominique Kraus à l'Université de Rostock explique que le groupe a utilisé des lasers optiques pulsés énergétiques pour conduire une onde de compression de choc dans un film de plastique PET. La pression de l'onde était d'environ un million de fois la pression atmosphérique de la Terre, ce qui simule les conditions à quelques milliers de kilomètres sous la surface de géantes de glace comme Neptune et Uranus. L'onde de choc ne se propage que pendant quelques nanosecondes, mais c'était suffisamment de temps pour que l'équipe utilise des impulsions femtosecondes provenant de lasers à électrons libres de rayons X pour faire des "films" des processus chimiques à l'intérieur des échantillons compressés par choc.
« Nous avons utilisé deux principales techniques de diagnostic », explique Kraus. "La diffraction des rayons X, qui nous a montré que des structures cristallines de diamant se forment, et la diffusion des rayons X aux petits angles, qui a fourni le in situ distribution granulométrique des diamants créés. Il ajoute que la combinaison de ces deux techniques en une seule expérience est un moyen extrêmement puissant de caractériser des réactions chimiques dans des conditions aussi extrêmes.
Géants de glace et bouteilles en plastique
Le PET est le même matériau utilisé dans les bouteilles en plastique, mais dans ce cas, un simple film PET a été utilisé plutôt que le matériau plus épais que l'on trouve dans les bouteilles.
"Nous avons utilisé des plastiques PET car ils contiennent un mélange d'éléments légers qui sont considérés comme les principaux constituants des planètes géantes glacées : hydrogène, carbone, oxygène", explique Kraus. « En même temps, le PET est stoechiométriquement un mélange de carbone et d'eau. Nous voulions aborder la question de savoir si la précipitation des diamants peut se produire via la démixtion du carbone et de l'hydrogène en présence d'oxygène.
En plus de fournir des informations importantes sur les processus chimiques qui se produisent sur ces planètes lointaines, la recherche fournit également des indices sur la façon dont les géantes de glace peuvent former des champs magnétiques. Le champ magnétique terrestre est créé par le mouvement du fer liquide dans le noyau externe de notre planète. Uranus et Neptune ont des champs magnétiques très différents, qui, selon certains scientifiques planétaires, sont générés beaucoup plus près des surfaces des planètes par l'eau superionique. Dans cette forme d'eau, les atomes d'oxygène forment un réseau cristallin à travers lequel les ions hydrogène peuvent circuler comme un fluide et donc générer des champs magnétiques.
"Nous n'avons pas vu de preuves directes de la formation d'eau superionique dans ces expériences car la pression était probablement trop basse", explique Kraus. "Cependant, la démixtion observée du carbone et de l'eau indique certainement la formation d'eau superionique dans des planètes comme Uranus et Neptune."
Diamants industriels
La recherche pourrait également avoir des implications importantes pour la production industrielle de diamants.
"Dans notre expérience, les diamants ont atteint des tailles d'environ 2 à 5 nm", explique Kraus. « Il ne s'agit que de quelques centaines à quelques milliers d'atomes de carbone. C'est plus de 100 1000 fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain. Il convient de noter que dans nos expériences, les diamants n'ont que des nanosecondes pour croître. C'est pourquoi ils sont si petits. Dans les planètes, elles deviendront bien sûr beaucoup plus grandes dans des millions d'années.
Les phases de glace superioniques pourraient expliquer les champs magnétiques inhabituels autour d'Uranus et de Neptune
Dans l'état actuel des choses, la méthode utilisée dans cette expérience ne produit pas suffisamment de nanodiamants pour se rapprocher d'un processus industriel pratique. Cependant, Kraus souligne que la nouvelle technique est beaucoup plus propre que la méthode actuelle d'utilisation d'explosifs pour produire des nanodiamants industriels. Ces processus explosifs sont difficiles à contrôler et sales par rapport à la compression par choc laser des plastiques. Bien qu'il soit peu probable que nous extrayions des bouteilles de la décharge pour les transformer en diamants à l'échelle industrielle, Kraus pense que ce processus pourrait devenir beaucoup plus efficace que les méthodes actuelles.
"Actuellement, nous ne créons que quelques microgrammes de nanodiamants par tir laser", explique Kraus. "Mais l'augmentation révolutionnaire des cadences de tir de ces lasers devrait permettre la production de quantités macroscopiques."
La recherche est décrite dans Science Advances.
