L'emissione di potenti impulsi laser su pezzi di plastica ha fornito nuove informazioni su come i diamanti potrebbero formarsi e piovere su pianeti giganti di ghiaccio come Nettuno e Urano. L'esperimento condotto da ricercatori in Germania, Francia e Stati Uniti potrebbe anche portare a un migliore processo industriale per la produzione di diamanti qui sulla Terra.
Membro della squadra Domenico Kraus dell'Università di Rostock spiega che il gruppo ha utilizzato laser ottici pulsati energetici per guidare un'onda di compressione d'urto in una pellicola di plastica PET. La pressione dell'onda era circa un milione di volte la pressione atmosferica terrestre, che simula le condizioni a poche migliaia di chilometri sotto la superficie di giganti di ghiaccio come Nettuno e Urano. L'onda d'urto viaggia solo per pochi nanosecondi, ma è stato un tempo sufficiente per consentire al team di utilizzare impulsi di femtosecondi da laser a elettroni liberi a raggi X per realizzare "filmati" dei processi chimici all'interno dei campioni compressi per shock.
"Abbiamo utilizzato due tecniche diagnostiche principali", afferma Kraus. “La diffrazione dei raggi X, che ci ha mostrato che si stanno formando strutture cristalline di diamante, e la dispersione dei raggi X a piccolo angolo, che ha fornito il sul posto distribuzione dimensionale dei diamanti creati”. Aggiunge che la combinazione di queste due tecniche in un unico esperimento è un modo estremamente potente per caratterizzare le reazioni chimiche in condizioni così estreme.
Giganti di ghiaccio e bottiglie di plastica
Il PET è lo stesso materiale utilizzato nelle bottiglie di plastica, ma in questo caso è stata utilizzata una semplice pellicola in PET anziché il materiale più spesso che si trova nelle bottiglie.
"Abbiamo utilizzato la plastica PET perché include una miscela di elementi leggeri che si ritiene siano i principali costituenti dei pianeti giganti ghiacciati: idrogeno, carbonio, ossigeno", afferma Kraus. “Allo stesso tempo, il PET è stechiometricamente una miscela di carbonio e acqua. Volevamo affrontare la questione se la precipitazione dei diamanti possa avvenire tramite la smiscelazione di carbonio e idrogeno in presenza di ossigeno".
Oltre a fornire importanti informazioni sui processi chimici che si verificano su questi pianeti lontani, la ricerca fornisce anche indizi su come i giganti di ghiaccio possono formare campi magnetici. Il campo magnetico terrestre è creato dal movimento del ferro liquido nel nucleo esterno del nostro pianeta. Urano e Nettuno hanno campi magnetici molto diversi, che alcuni scienziati planetari ritengono siano generati molto più vicino alla superficie dei pianeti dall'acqua superionica. In questa forma di acqua, gli atomi di ossigeno formano un reticolo cristallino attraverso il quale gli ioni idrogeno possono fluire come un fluido e quindi generare campi magnetici.
"Non abbiamo visto prove dirette della formazione di acqua superionica in questi esperimenti poiché la pressione era probabilmente troppo bassa", afferma Kraus. "Tuttavia, la demiscelazione osservata di carbonio e acqua indica sicuramente la formazione di acqua superionica in pianeti come Urano e Nettuno".
Diamanti industriali
La ricerca potrebbe avere importanti implicazioni anche per la produzione industriale di diamanti.
"Nel nostro esperimento i diamanti hanno raggiunto dimensioni di circa 2-5 nm", afferma Kraus. “Questo è solo da pochi 100 a pochi 1000 atomi di carbonio. È più di 10,000 volte più piccolo dello spessore di un capello umano. Va notato che nei nostri esperimenti i diamanti hanno solo nanosecondi per crescere. Per questo sono così piccoli. Nei pianeti, ovviamente, diventeranno molto più grandi nel giro di milioni di anni”.
Le fasi di ghiaccio superioniche potrebbero spiegare campi magnetici insoliti attorno a Urano e Nettuno
Allo stato attuale, il metodo utilizzato in questo esperimento non produce abbastanza nanodiamanti per avvicinarsi a un processo industriale pratico. Tuttavia, Kraus sottolinea che la nuova tecnica è molto più pulita dell'attuale metodo di utilizzo di esplosivi per produrre nanodiamanti industriali. Questi processi esplosivi sono difficili da controllare e sporchi rispetto alla compressione d'urto laser della plastica. Sebbene sia improbabile che scaveremo bottiglie dalla discarica per trasformarle in diamanti su scala industriale, Kraus ritiene che questo processo potrebbe diventare molto più efficiente dei metodi attuali.
"Attualmente, creiamo solo pochi microgrammi di nanodiamanti per colpo laser", afferma Kraus. "Ma l'aumento rivoluzionario delle velocità di sparo di quei laser dovrebbe consentire la produzione di quantità macroscopiche".
La ricerca è descritta in Anticipi Scienza.
