海王星や天王星などの氷の巨大惑星は、私たちの銀河系に非常に豊富に存在します。 それらの内部は、主に水、メタン、およびアンモニアの高密度の流体混合物で構成されています。 極端な条件により、ダイヤモンドが降ってきます。
以前の実験で、科学者は内部の奥深くに見られる厳しい温度と圧力をシミュレートしました。 ネプチューン & 天王星の氷の巨人。 初めてダイヤモンドレインフォームを見ることができました。
新しい研究により、長い間仮説が立てられてきた氷の巨大惑星でのエキゾチックなタイプの降水である「ダイヤモンドレイン」が、これまで考えられていたよりも一般的である可能性があることがわかりました。 この研究は、ダイヤモンドの雨が他の惑星でどのように形成されるかの全体像を提供し、ここ地球では、ナノダイヤモンドを製造する新しい方法につながる可能性があります。ナノダイヤモンドは、薬物送達、医療センサー、非侵襲的手術、持続可能な製造、そして量子エレクトロニクス。
の高エネルギー密度部門のディレクターである Siegfried Glanzer は、次のように述べています。 SLAC、言った、 「以前の論文は、私たちが直接見たのは初めてでした ダイヤモンド形成 あらゆる混合物から。 それ以来、さまざまな純粋な材料で多くの実験が行われてきました。 しかし、惑星の内部では、それははるかに複雑です。 さらに多くの化学物質が混在しています。 したがって、ここで理解したかったのは、これらの追加の化学物質がどのような影響を与えるかということです。」
以前の実験では、科学者は、海王星と天王星の全体的な化学構造のXNUMXつの重要な要素である水素と炭素からなるプラスチック材料を調べました. しかし、氷の巨人には、かなりの量の 酸素 & カーボン、および水素。
最近の実験では、科学者は PET プラスチックを使用して、これらの惑星の組成をより正確に再現しました。
HZDRの物理学者でロストック大学の教授であるドミニク・クラウスは、次のように述べています。 「PETは、氷の惑星での活動をシミュレートするために、炭素、水素、酸素のバランスが取れています。」
科学者たちは、SLAC のライナック コヒーレント光源 (LCLS) の極限状態の物質 (MEC) 装置で高出力の光学レーザーを使用して、PET に衝撃波を発生させました。 次に、LCLS からの X 線パルスを使用して、プラスチックで何が起こったのかを調査しました。
科学者は後にX線回折を使用して、材料の原子が小さなダイヤモンド領域に再配置されるのを観察しました。 同時に、小角散乱と呼ばれる別の方法を使用して、これらの領域がどれだけ速く大きく成長したかを測定しました。 この方法は、これらのダイヤモンド領域が数ナノメートルの幅まで成長したことを決定するのに役立ちます。 彼らは、物質内に酸素が存在する場合、以前に指摘されたよりも低い圧力と温度でナノダイヤモンドが成長できることを発見しました。
クラウスは言った、 「酸素の効果は、炭素と水素の分裂を加速し、ナノダイヤモンドの形成を促進することでした。 これは、炭素原子がより簡単に結合して形成できることを意味しました ダイヤモンドに設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」
チームはまた、ダイヤモンドと組み合わせて超イオン水が発生する可能性があるという証拠も発見しました。 この最近特定された水相は、しばしば「熱い黒い氷」と呼ばれ、非常に高い圧力と温度で見られます。
水分子はこれらの厳しい条件下で破壊され、酸素原子は結晶格子に組織化され、そこで水素原子核が自由に動き回ります。 超イオン水は、これらの自由浮遊原子核の電荷により電流を伝導することができます。これは、天王星と海王星に特異な磁場がある理由を説明するのに役立つ可能性があります。
科学者たちは現在、氷の巨人が太陽系外の惑星の最も一般的な形態であると信じているため、この発見は遠方の銀河の惑星に関する私たちの理解にも影響を与える可能性があります.
SLAC の科学者で共同研究者の Silvia Pandolfi 氏は、次のように述べています。 「地球のコアが主に鉄でできていることはわかっていますが、多くの実験では、より軽い元素の存在が融解と相転移の条件をどのように変化させることができるかをまだ調査しています. 私たちの実験は、これらの要素が氷の巨人でダイヤモンドが形成する条件をどのように変えることができるかを示しています. 惑星を正確にモデル化したい場合は、惑星の実際の組成にできるだけ近づける必要があります。 惑星のインテリアに設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」
この研究はまた、レーザー駆動の衝撃圧縮を使用して、安価な PET プラスチックからナノダイヤモンドを製造するための潜在的なルートを示しています。 これらの小さな宝石は現在、研磨剤や研磨剤に使用されています。 それでも、将来的には量子センサー、医療用造影剤、再生可能エネルギーの反応加速器にも利用される可能性があります。
SLAC の科学者で共同研究者の Benjamin Ofori-Okai 氏は、次のように述べています。 「現在のナノダイヤモンドの製造方法は、炭素またはダイヤモンドの束を爆発物で爆破することです。 これにより、さまざまなサイズと形状のナノダイヤモンドが作成され、制御が困難になります。」
「この実験で私たちが見ているのは、高温高圧下での同じ種の異なる反応性です。 場合によっては、ダイヤモンドは他のものよりも速く形成されているように見えます。これは、これらの他の化学物質の存在がこのプロセスを加速できることを示唆しています. レーザー生産は、ナノダイヤモンドを生産するためのよりクリーンでより簡単に制御できる方法を提供する可能性があります。 反応性について何かを変える方法を設計できれば、それらが形成される速さを変えることができ、したがってどれだけ大きくなるかを変えることができます。」
科学者たちは、天王星と海王星の大部分を構成するエタノール、水、アンモニアを含む液体サンプルを使用した同様の実験を計画しています。これにより、他の惑星でダイヤモンドの雨がどのように形成されるかを正確に理解することができます。
SLAC の科学者で共同研究者の Nicholas Hartley 氏 と, 「これらの極端な状況を再現して、これらのプロセスが非常に高速で非常に小規模なスケールでどのように展開するかを確認できるという事実は刺激的です。 酸素を追加することで、これらの惑星プロセスの全体像をこれまで以上に見ることができますが、やるべきことはまだたくさんあります. これは、最も現実的な混合物を得て、これらの材料が他の惑星で実際にどのように振る舞うかを確認するための一歩です.」
ジャーナルリファレンス：
- Zhiyu He et al. 小角X線散乱およびX線回折によって記録された、衝撃圧縮されたC─H─Oサンプルのダイヤモンド形成速度。 科学の進歩. 第 8 巻、第 35 号。DOI: 10.1126 / sciadv.abo0617
