플라스틱 조각에 강력한 레이저 펄스를 발사하면 해왕성과 천왕성과 같은 거대 얼음 행성에서 어떻게 다이아몬드가 형성되고 비가 내릴 수 있는지에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다. 독일, 프랑스, 미국 연구원들의 실험은 지구상에서 다이아몬드를 만드는 더 나은 산업 공정으로 이어질 수도 있습니다.
팀 구성원 도미니크 크라우스 Rostock 대학의 연구진은 에너지 펄스 광학 레이저를 사용하여 충격 압축파를 PET 플라스틱 필름으로 유도했다고 설명합니다. 파도의 압력은 지구 대기압의 약 XNUMX만 배였으며, 이는 해왕성과 천왕성과 같은 얼음 거인의 표면 아래 수천 킬로미터 아래의 조건을 시뮬레이션합니다. 충격파는 몇 나노초 동안만 이동하지만 팀이 X선 자유 전자 레이저의 펨토초 펄스를 사용하여 충격 압축 샘플 내부의 화학 프로세스를 "동영상"으로 만들기에는 충분한 시간이었습니다.
"우리는 두 가지 주요 진단 기술을 사용했습니다."라고 Kraus는 말합니다. "다이아몬드 결정 구조가 형성되고 있음을 보여준 X선 회절과 소각 X선 산란은 원위치 생성된 다이아몬드의 크기 분포.” 그는 단일 실험에서 이 두 기술의 조합이 이러한 극한 조건에서 화학 반응을 특성화하는 매우 강력한 방법이라고 덧붙였습니다.
얼음 거인과 플라스틱 병
PET는 플라스틱 병에 사용되는 것과 동일한 소재이지만 이 경우에는 병에 사용되는 두꺼운 소재가 아닌 단순한 PET 필름이 사용되었습니다.
"우리는 PET 플라스틱을 사용했는데, 그 이유는 얼음 거대 행성의 주성분인 수소, 탄소, 산소로 생각되는 가벼운 원소의 혼합물을 포함하고 있기 때문입니다."라고 Kraus는 말합니다. “동시에 PET는 화학양론적으로 탄소와 물의 혼합물입니다. 우리는 산소가 있는 상태에서 탄소와 수소의 탈혼합을 통해 다이아몬드 침전이 발생할 수 있는지에 대한 질문을 다루고 싶었습니다.”
이 먼 행성에서 발생하는 화학적 과정에 대한 중요한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 연구는 얼음 거인이 어떻게 자기장을 형성할 수 있는지에 대한 단서도 제공합니다. 지구의 자기장은 지구의 외핵에 있는 액체 철의 움직임에 의해 생성됩니다. 천왕성과 해왕성은 매우 다른 자기장을 가지고 있는데, 일부 행성 과학자들은 초이온수에 의해 행성 표면에 훨씬 더 가깝게 생성된다고 믿고 있습니다. 이러한 형태의 물에서 산소 원자는 수소 이온이 유체처럼 흐를 수 있는 결정 격자를 형성하여 자기장을 생성합니다.
"압력이 아마도 너무 낮았기 때문에 이러한 실험에서 초이온수의 형성에 대한 직접적인 증거를 보지 못했습니다."라고 Kraus는 말합니다. "그러나 관찰된 탄소와 물의 탈혼합은 확실히 천왕성과 해왕성과 같은 행성에서 초이온성 물의 형성을 가리킨다."
산업용 다이아몬드
이 연구는 또한 다이아몬드의 산업 생산에 중요한 의미를 가질 수 있습니다.
"우리의 실험에서 다이아몬드는 약 2~5nm 크기에 도달했습니다."라고 Kraus는 말합니다. “이것은 불과 몇 백에서 몇 천 개의 탄소 원자입니다. 사람의 머리카락 굵기보다 100배 이상 얇습니다. 우리의 실험에서 다이아몬드는 나노초만 성장할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이것이 그들이 너무 작은 이유입니다. 행성에서는 물론 수백만 년 안에 훨씬 더 커질 것입니다.”
Superionic 얼음 상은 천왕성과 해왕성 주변의 비정상적인 자기장을 설명할 수 있습니다.
이 실험에 사용된 방법은 실용적인 산업 공정에 근접할 만큼 충분한 나노다이아몬드를 생산하지 못합니다. 그러나 Kraus는 새로운 기술이 폭발물을 사용하여 산업용 나노다이아몬드를 생산하는 현재의 방법보다 훨씬 깨끗하다고 지적합니다. 이러한 폭발 공정은 플라스틱의 레이저 충격 압축에 비해 제어하기 어렵고 더럽습니다. 우리가 산업 규모의 다이아몬드로 만들기 위해 매립지에서 병을 파낼 것 같지는 않지만 Kraus는 이 프로세스가 현재 방법보다 훨씬 더 효율적일 수 있다고 믿습니다.
"현재 우리는 레이저 샷당 몇 마이크로그램의 나노다이아몬드만 생성합니다."라고 Kraus는 말합니다. "그러나 이러한 레이저의 발사 속도의 혁신적인 증가는 거시적 수량의 생산을 허용해야 합니다."
연구는 다음에 설명되어 있습니다. 과학의 발전.
