Å skyte kraftige laserpulser mot plastbiter har gitt ny innsikt i hvordan diamanter kan dannes og regne ned på isgigantiske planeter som Neptun og Uranus. Eksperimentet til forskere i Tyskland, Frankrike og USA kan også føre til en bedre industriell prosess for å lage diamanter her på jorden.
Teammedlem Dominik Kraus ved University of Rostock forklarer at gruppen brukte energiske pulserende optiske lasere for å drive en sjokkkompresjonsbølge inn i en film av PET-plast. Trykket fra bølgen var omtrent en million ganger jordens atmosfæriske trykk, som simulerer forhold noen tusen kilometer under overflaten til isgiganter som Neptun og Uranus. Sjokkbølgen går bare i noen få nanosekunder, men det var nok tid for teamet til å bruke femtosekundpulser fra røntgenfrie elektronlasere for å lage "filmer" av de kjemiske prosessene inne i de sjokkkomprimerte prøvene.
"Vi brukte to hoveddiagnostiske teknikker," sier Kraus. "Røntgendiffraksjon, som viste oss at diamantkrystallstrukturer dannes, og røntgenspredning med liten vinkel, som ga in-situ størrelsesfordeling av diamantene som er laget." Han legger til at kombinasjonen av disse to teknikkene i et enkelt eksperiment er en ekstremt kraftig måte å karakterisere kjemiske reaksjoner under slike ekstreme forhold.
Isgiganter og plastflasker
PET er det samme materialet som brukes i plastflasker, men i dette tilfellet ble det brukt en enkel PET-film i stedet for det tykkere materialet som finnes i flasker.
"Vi brukte PET-plast fordi det inneholder en blanding av lette elementer som antas å være hovedbestanddelene i de iskalde gigantiske planetene: hydrogen, karbon, oksygen," sier Kraus. «Samtidig er PET støkiometrisk en blanding av karbon og vann. Vi ønsket å takle spørsmålet om diamantutfelling kan skje via demiksing av karbon og hydrogen i nærvær av oksygen."
I tillegg til å gi viktig innsikt i kjemiske prosesser som skjer på disse fjerne planetene, gir forskningen også ledetråder om hvordan isgiganter kan danne magnetiske felt. Jordens magnetfelt skapes av flytende jerns bevegelse i planetens ytre kjerne. Uranus og Neptun har svært forskjellige magnetiske felt, som noen planetariske forskere mener genereres mye nærmere planetenes overflate av superionisk vann. I denne formen for vann danner oksygenatomene et krystallgitter som hydrogenioner kan strømme gjennom som en væske og derfor generere magnetiske felt.
"Vi har ikke sett direkte bevis for dannelsen av superionisk vann i disse eksperimentene siden trykket sannsynligvis var for lavt," sier Kraus. "Men den observerte avblandingen av karbon og vann peker absolutt på dannelsen av superionisk vann på planeter som Uranus og Neptun."
Industrielle diamanter
Forskningen kan også ha viktige implikasjoner for industriell produksjon av diamanter.
"I eksperimentet vårt nådde diamantene størrelser på omtrent 2–5 nm," sier Kraus. "Dette er bare noen få 100 til noen få 1000 karbonatomer. Det er mer enn 10,000 XNUMX ganger mindre enn tykkelsen på et menneskehår. Det skal bemerkes at i våre eksperimenter har diamantene bare nanosekunder å vokse. Det er derfor de er så små. På planeter vil de selvfølgelig vokse seg mye større i løpet av millioner av år.»
Superioniske isfaser kan forklare uvanlige magnetiske felt rundt Uranus og Neptun
Slik det er nå, produserer ikke metoden som brukes i dette eksperimentet nok nanodiamanter til å være i nærheten av å være en praktisk industriell prosess. Kraus påpeker imidlertid at den nye teknikken er mye renere enn dagens metode for å bruke eksplosiver for å produsere industrielle nanodiamanter. Disse eksplosive prosessene er vanskelige å kontrollere og skitne i forhold til lasersjokkkomprimering av plast. Selv om det er usannsynlig at vi vil grave flasker ut av deponiet for å gjøre dem om til diamanter i industriell skala, mener Kraus at denne prosessen kan bli mye mer effektiv enn dagens metoder.
"Foreløpig lager vi bare noen få mikrogram nanodiamanter per laserskudd," sier Kraus. "Men den revolusjonerende økningen i skuddhastigheten til disse laserne burde tillate produksjon av makroskopiske mengder."
Forskningen er beskrevet i Vitenskap Fremskritt.
