Isgigantiske planeter som Neptun og Uranus er svært rikelig i vår galakse. Interiøret deres er hovedsakelig sammensatt av en tett væskeblanding av vann, metan og ammoniakk. På grunn av ekstreme forhold regner det diamant.
I et tidligere eksperiment simulerte forskere de alvorlige temperaturene og trykket som ble funnet dypt inne Neptune og Uranussine isgiganter. For første gang kunne de se diamantregn dannes.
En ny studie har funnet ut at «diamantregn», en eksotisk type nedbør som lenge har vært antatt på isgigantiske planeter, kan være mer vanlig enn tidligere antatt. Studien gir et fullstendig bilde av hvordan diamantregn dannes på andre planeter, og her på jorden kan det føre til en ny måte å fremstille nanodiamanter på, som har et stort utvalg bruksområder innen medikamentlevering, medisinske sensorer, ikke-invasiv kirurgi, bærekraftig produksjon, og kvanteelektronikk.
Siegfried Glanzer, direktør for High Energy Density Division på SLAC, sa, "Det tidligere papiret var første gang vi så direkte diamantdannelse fra alle blandinger. Siden den gang har det vært mange eksperimenter med forskjellige rene materialer. Men inne på planeter er det mye mer komplisert; mange flere kjemikalier er i blandingen. Så det vi ønsket å finne ut her var hva slags effekt disse ekstra kjemikaliene har."
I et tidligere eksperiment så forskerne på et plastmateriale bestående av hydrogen og karbon, to essensielle elementer i Neptuns og Uranus' samlede kjemiske sammensetning. Men isgiganter inkluderer også tilleggselementer, for eksempel betydelige mengder oksygen og karbonog hydrogen.
I et nylig eksperiment brukte forskere PET-plast for å reprodusere sammensetningen av disse planetene mer nøyaktig.
Dominik Kraus, fysiker ved HZDR og professor ved Universitetet i Rostock, sa: "PET har en god balanse mellom karbon, hydrogen og oksygen for å simulere aktiviteten i isplaneter."
Forskere skapte sjokkbølger i PET ved hjelp av en kraftig optisk laser ved Matter in Extreme Conditions (MEC) instrumentet ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS). De undersøkte deretter hva som skjedde i plasten med røntgenpulser fra LCLS.
Forskere brukte senere røntgendiffraksjon for å se når atomene i materialet omorganiserte seg til små diamantområder. Samtidig brukte de en annen metode kalt spredning av små vinkler for å måle hvor raskt og store disse områdene vokste. Denne metoden hjelper dem med å fastslå at disse diamantregionene vokste opp til noen få nanometer brede. De oppdaget at nanodiamanter kunne utvikle seg ved lavere trykk og temperaturer enn tidligere bemerket når oksygen var tilstede i stoffet.
Kraus sa: "Effekten av oksygenet var å akselerere spaltningen av karbon og hydrogen og dermed oppmuntre til dannelsen av nanodiamanter. Det betydde at karbonatomene kunne kombineres lettere og dannes diamanter».
Teamet oppdaget også bevis på at superionisk vann kan forekomme i kombinasjon med diamanter. Denne nylig identifiserte vannfasen ofte referert til som "varm, svart is," kan finnes ved ekstraordinært høye trykk og temperaturer.
Vannmolekyler brytes under disse alvorlige forholdene, og oksygenatomer organiserer seg i et krystallgitter der hydrogenkjerner kan bevege seg fritt. Superionisk vann kan lede elektrisk strøm på grunn av den elektriske ladningen på disse frittflytende kjernene, noe som kan bidra til å forklare hvorfor Uranus og Neptun har særegne magnetiske felt.
Funnene kan også påvirke vår forståelse av planeter i fjerne galakser siden forskere nå tror isgiganter er den vanligste formen for en planet utenfor vårt solsystem.
SLAC-forsker og samarbeidspartner Silvia Pandolfi sa, "Vi vet at jordens kjerne hovedsakelig er laget av jern, men mange eksperimenter undersøker fortsatt hvordan tilstedeværelsen av lettere grunnstoffer kan endre betingelsene for smelting og faseoverganger. Eksperimentet vårt viser hvordan disse elementene kan endre forholdene diamanter danner på isgiganter. Hvis vi ønsker å modellere planeter nøyaktig, må vi komme så nært vi kan den faktiske sammensetningen av planetene planetarisk indre».
Studien peker også på en potensiell rute for å produsere nanodiamanter fra billig PET-plast ved bruk av laserdrevet sjokkkompresjon. Disse små edelstenene brukes for tiden i slipemidler og poleringsmidler. Likevel kan de også bli brukt i kvantesensorer, medisinske kontrastmidler og fornybare energireaksjonsakseleratorer i fremtiden.
SLAC-forsker og samarbeidspartner Benjamin Ofori-Okai sa, "Måten nanodiamanter for tiden lages på er ved å ta en haug med karbon eller diamant og sprenge den med eksplosiver. Dette skaper nanodiamanter i forskjellige størrelser og former og er vanskelig å kontrollere."
"Det vi ser i dette eksperimentet er en annen reaktivitet av samme art under høy temperatur og trykk. I noen tilfeller ser det ut til at diamantene dannes raskere enn i andre, noe som tyder på at tilstedeværelsen av disse andre kjemikaliene kan fremskynde denne prosessen. Laserproduksjon kan tilby en renere og lettere kontrollert metode for å produsere nanodiamanter. Hvis vi kan designe måter å endre noen ting om reaktiviteten på, kan vi endre hvor raskt de dannes og dermed hvor store de blir.»
Forskere planlegger lignende eksperimenter med flytende prøver som inneholder etanol, vann og ammoniakk – det Uranus og Neptun for det meste er laget av – som vil bringe dem nærmere å forstå nøyaktig hvordan diamantregn dannes på andre planeter.
SLAC-forsker og samarbeidspartner Nicholas Hartley sa, "Det faktum at vi kan gjenskape disse ekstreme forholdene for å se hvordan disse prosessene utspiller seg i veldig raske, veldig små skalaer er spennende. Å tilsette oksygen bringer oss nærmere enn noen gang for å se hele bildet av disse planetariske prosessene, men det er fortsatt mer arbeid å gjøre. Det er et skritt mot å få den mest realistiske blandingen og se hvordan disse materialene virkelig oppfører seg på andre planeter.»
Tidsreferanse:
- Zhiyu He et al. Diamantdannelseskinetikk i sjokkkomprimerte C─H─O-prøver registrert ved røntgenspredning med liten vinkel og røntgendiffraksjon. Vitenskap Fremskritt. Vol. 8, utgave 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
