Het afvuren van krachtige laserpulsen op stukjes plastic heeft nieuwe inzichten opgeleverd in hoe diamanten zich konden vormen en neerregenen op ijsreuzenplaneten zoals Neptunus en Uranus. Het experiment van onderzoekers in Duitsland, Frankrijk en de VS zou ook kunnen leiden tot een beter industrieel proces voor het maken van diamanten hier op aarde.
Teamlid Dominik Kraus aan de Universiteit van Rostock legt uit dat de groep energetische gepulste optische lasers gebruikte om een schokcompressiegolf in een film van PET-plastic te sturen. De druk van de golf was ongeveer een miljoen keer de atmosferische druk van de aarde, die de omstandigheden een paar duizend kilometer onder het oppervlak van ijsreuzen zoals Neptunus en Uranus simuleert. De schokgolf reist maar een paar nanoseconden, maar dat was genoeg tijd voor het team om femtoseconde-pulsen van röntgenvrije elektronenlasers te gebruiken om 'films' te maken van de chemische processen in de schokgecomprimeerde monsters.
"We gebruikten twee belangrijke diagnostische technieken", zegt Kraus. “Röntgendiffractie, die ons liet zien dat zich diamantkristalstructuren vormen, en röntgenverstrooiing onder een kleine hoek, die de in situ grootteverdeling van de gecreëerde diamanten.” Hij voegt eraan toe dat de combinatie van deze twee technieken in één experiment een extreem krachtige manier is om chemische reacties onder zulke extreme omstandigheden te karakteriseren.
IJsreuzen en plastic flessen
PET is hetzelfde materiaal dat in plastic flessen wordt gebruikt, maar in dit geval werd een eenvoudige PET-folie gebruikt in plaats van het dikkere materiaal dat in flessen wordt aangetroffen.
"We gebruikten PET-plastic omdat het een mengsel van lichte elementen bevat waarvan wordt aangenomen dat ze de hoofdbestanddelen zijn van de ijzige reuzenplaneten: waterstof, koolstof, zuurstof", zegt Kraus. “Tegelijkertijd is PET stoichiometrisch een mengsel van koolstof en water. We wilden de vraag aanpakken of diamantprecipitatie kan plaatsvinden via ontmenging van koolstof en waterstof in aanwezigheid van zuurstof.”
Naast belangrijke inzichten in chemische processen die plaatsvinden op deze verre planeten, levert het onderzoek ook aanwijzingen op over hoe ijsreuzen magnetische velden kunnen vormen. Het magnetisch veld van de aarde wordt gecreëerd door de beweging van vloeibaar ijzer in de buitenste kern van onze planeet. Uranus en Neptunus hebben zeer verschillende magnetische velden, waarvan sommige planetaire wetenschappers denken dat ze veel dichter bij het oppervlak van de planeten worden gegenereerd door superionisch water. In deze vorm van water vormen de zuurstofatomen een kristalrooster waardoor waterstofionen als een vloeistof kunnen stromen en daardoor magnetische velden kunnen opwekken.
"We hebben geen direct bewijs gezien voor de vorming van superionisch water in deze experimenten, omdat de druk waarschijnlijk te laag was", zegt Kraus. "De waargenomen ontmenging van koolstof en water wijst echter zeker op de vorming van superionisch water op planeten als Uranus en Neptunus."
Industriële diamanten
Het onderzoek kan ook belangrijke implicaties hebben voor de industriële productie van diamanten.
"In ons experiment bereikten de diamanten afmetingen van ongeveer 2-5 nm", zegt Kraus. “Dit zijn slechts een paar 100 tot een paar 1000 koolstofatomen. Dat is meer dan 10,000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar. Opgemerkt moet worden dat in onze experimenten de diamanten slechts nanoseconden hebben om te groeien. Daarom zijn ze zo klein. Op planeten zullen ze natuurlijk binnen miljoenen jaren veel groter worden.”
Superionische ijsfasen kunnen ongebruikelijke magnetische velden rond Uranus en Neptunus verklaren
Zoals het er nu uitziet, produceert de methode die in dit experiment wordt gebruikt niet genoeg nanodiamanten om in de buurt te komen van een praktisch industrieel proces. Kraus wijst er echter op dat de nieuwe techniek veel schoner is dan de huidige methode om explosieven te gebruiken om industriële nanodiamanten te produceren. Deze explosieve processen zijn moeilijk te beheersen en vuil in vergelijking met de lasershockcompressie van kunststoffen. Hoewel het onwaarschijnlijk is dat we flessen uit de vuilstort zullen graven om er op industriële schaal diamanten van te maken, gelooft Kraus dat dit proces veel efficiënter kan worden dan de huidige methoden.
"Momenteel maken we slechts een paar microgram nanodiamanten per laserschot", zegt Kraus. "Maar de revolutionaire toename van de opnamesnelheid van die lasers zou de productie van macroscopische hoeveelheden mogelijk moeten maken."
Het onderzoek is beschreven in Wetenschap Advances.
