Menembakkan pulsa laser yang kuat pada potongan plastik telah memberikan wawasan baru tentang bagaimana berlian dapat terbentuk dan menghujani planet raksasa es seperti Neptunus dan Uranus. Eksperimen oleh para peneliti di Jerman, Prancis, dan AS juga dapat mengarah pada proses industri yang lebih baik untuk membuat berlian di Bumi.
Anggota tim Dominik Kraus di University of Rostock menjelaskan bahwa kelompok tersebut menggunakan laser optik berdenyut energik untuk menggerakkan gelombang kompresi kejut ke dalam film plastik PET. Tekanan gelombang itu sekitar satu juta kali tekanan atmosfer Bumi, yang mensimulasikan kondisi beberapa ribu kilometer di bawah permukaan raksasa es seperti Neptunus dan Uranus. Gelombang kejut hanya berjalan selama beberapa nanodetik, tetapi itu cukup waktu bagi tim untuk menggunakan pulsa femtosecond dari laser elektron bebas sinar-X untuk membuat "film" dari proses kimia di dalam sampel yang dikompresi dengan kejut.
“Kami menggunakan dua teknik diagnostik utama,” kata Kraus. Difraksi sinar-X, yang menunjukkan kepada kita bahwa struktur kristal berlian sedang terbentuk, dan hamburan sinar-X sudut kecil, yang memberikan in-situ distribusi ukuran berlian yang dibuat.” Dia menambahkan bahwa kombinasi kedua teknik ini dalam satu percobaan adalah cara yang sangat ampuh untuk mengkarakterisasi reaksi kimia dalam kondisi ekstrem seperti itu.
Raksasa es dan botol plastik
PET adalah bahan yang sama yang digunakan dalam botol plastik, tetapi dalam kasus ini film PET sederhana digunakan daripada bahan yang lebih tebal yang ditemukan dalam botol.
“Kami menggunakan plastik PET karena mengandung campuran elemen ringan yang dianggap sebagai konstituen utama planet raksasa es: hidrogen, karbon, oksigen,” kata Kraus. “Pada saat yang sama, PET secara stoikiometri merupakan campuran karbon dan air. Kami ingin menjawab pertanyaan apakah pengendapan berlian dapat terjadi melalui demixing karbon dan hidrogen dengan adanya oksigen.”
Selain memberikan wawasan penting tentang proses kimia yang terjadi di planet-planet yang jauh ini, penelitian ini juga memberikan petunjuk tentang bagaimana raksasa es dapat membentuk medan magnet. Medan magnet bumi diciptakan oleh gerakan besi cair di inti luar planet kita. Uranus dan Neptunus memiliki medan magnet yang sangat berbeda, yang diyakini oleh beberapa ilmuwan planet dihasilkan lebih dekat ke permukaan planet oleh air superionik. Dalam bentuk air ini, atom oksigen membentuk kisi kristal di mana ion hidrogen dapat mengalir seperti cairan dan karenanya menghasilkan medan magnet.
“Kami belum melihat bukti langsung pembentukan air superionik dalam eksperimen ini karena tekanannya mungkin terlalu rendah,” kata Kraus. "Namun, demixing karbon dan air yang diamati tentu saja menunjuk pada pembentukan air superionik di planet seperti Uranus dan Neptunus."
Berlian industri
Penelitian ini juga dapat memiliki implikasi penting untuk produksi industri berlian.
“Dalam percobaan kami, berlian mencapai ukuran sekitar 2–5 nm,” kata Kraus. “Ini hanya beberapa 100 hingga beberapa 1000 atom karbon. Itu lebih dari 10,000 kali lebih kecil dari ketebalan rambut manusia. Perlu dicatat bahwa dalam percobaan kami berlian hanya memiliki nanodetik untuk tumbuh. Inilah sebabnya mengapa mereka sangat kecil. Di planet, mereka tentu saja akan tumbuh jauh lebih besar dalam jutaan tahun.”
Fase es superionik dapat menjelaskan medan magnet yang tidak biasa di sekitar Uranus dan Neptunus
Saat ini, metode yang digunakan dalam percobaan ini tidak menghasilkan cukup banyak nanodiamond untuk mendekati proses industri praktis. Namun, Kraus menunjukkan bahwa teknik baru ini jauh lebih bersih daripada metode saat ini yang menggunakan bahan peledak untuk menghasilkan nanodiamond industri. Proses eksplosif ini sulit dikendalikan dan kotor dibandingkan dengan kompresi kejut laser plastik. Meskipun kecil kemungkinan kami akan menggali botol dari tempat pembuangan sampah untuk mengubahnya menjadi berlian dalam skala industri, Kraus yakin proses ini bisa menjadi jauh lebih efisien daripada metode saat ini.
“Saat ini, kami hanya membuat beberapa mikrogram nanodiamond per tembakan laser,” kata Kraus. “Tetapi peningkatan revolusioner dalam laju tembakan laser tersebut seharusnya memungkinkan produksi jumlah makroskopik.”
Penelitian tersebut dijelaskan dalam Kemajuan ilmu pengetahuan.
