Wystrzeliwanie potężnych impulsów laserowych w kawałki plastiku dostarczyło nowych informacji na temat tego, jak diamenty mogą tworzyć się i spadać na lodowe olbrzymy, takie jak Neptun i Uran. Eksperyment przeprowadzony przez naukowców z Niemiec, Francji i USA może również doprowadzić do lepszego procesu przemysłowego wytwarzania diamentów na Ziemi.
Członek zespołu Dominika Krausa na Uniwersytecie w Rostocku wyjaśnia, że grupa użyła energetycznych, impulsowych laserów optycznych, aby wprowadzić falę kompresji uderzeniowej w folię z tworzywa PET. Ciśnienie fali było około milion razy większe niż ciśnienie atmosferyczne Ziemi, co symuluje warunki panujące kilka tysięcy kilometrów pod powierzchnią lodowych gigantów, takich jak Neptun i Uran. Fala uderzeniowa przemieszcza się tylko przez kilka nanosekund, ale to wystarczyło, aby zespół wykorzystał femtosekundowe impulsy z laserów na swobodnych elektronach rentgenowskich do nakręcenia „filmów” procesów chemicznych zachodzących w skompresowanych szokowo próbkach.
„Zastosowaliśmy dwie główne techniki diagnostyczne”, mówi Kraus. „Dyfrakcja rentgenowska, która pokazała nam, że tworzą się struktury kryształów diamentu, oraz rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małymi kątami, które zapewniło in situ rozkład wielkości tworzonych diamentów.” Dodaje, że połączenie tych dwóch technik w jednym eksperymencie jest niezwykle skutecznym sposobem charakteryzowania reakcji chemicznych w tak ekstremalnych warunkach.
Lodowe olbrzymy i plastikowe butelki
PET to ten sam materiał, który stosuje się w butelkach plastikowych, ale w tym przypadku zastosowano prostą folię PET zamiast grubszego materiału znajdującego się w butelkach.
„Użyliśmy plastiku PET, ponieważ zawiera on mieszankę lekkich pierwiastków, które uważa się za główne składniki lodowych planet olbrzymów: wodór, węgiel, tlen” – mówi Kraus. „Jednocześnie PET jest stechiometrycznie mieszaniną węgla i wody. Chcieliśmy odpowiedzieć na pytanie, czy wytrącanie diamentów może nastąpić poprzez odmieszanie węgla i wodoru w obecności tlenu”.
Oprócz dostarczenia ważnych informacji na temat procesów chemicznych zachodzących na tych odległych planetach, badania dostarczają również wskazówek na temat tego, w jaki sposób lodowe olbrzymy mogą tworzyć pola magnetyczne. Pole magnetyczne Ziemi powstaje w wyniku ruchu ciekłego żelaza w zewnętrznym jądrze naszej planety. Uran i Neptun mają bardzo różne pola magnetyczne, które według niektórych planetologów są generowane znacznie bliżej powierzchni planet przez wodę o sile nadjonowej. W tej postaci wody atomy tlenu tworzą sieć krystaliczną, przez którą jony wodoru mogą przepływać jak płyn, a zatem wytwarzać pola magnetyczne.
„W tych eksperymentach nie widzieliśmy bezpośrednich dowodów na tworzenie się wody nadjonowej, ponieważ ciśnienie było prawdopodobnie zbyt niskie”, mówi Kraus. „Jednak obserwowany rozkład węgla i wody z pewnością wskazuje na tworzenie się wody nadjonowej na planetach takich jak Uran i Neptun”.
Diamenty przemysłowe
Badania mogą mieć również ważne implikacje dla przemysłowej produkcji diamentów.
„W naszym eksperymencie diamenty osiągnęły rozmiary około 2–5 nm”, mówi Kraus. „To tylko kilka 100 do kilku 1000 atomów węgla. To ponad 10,000 XNUMX razy mniej niż grubość ludzkiego włosa. Należy zauważyć, że w naszych eksperymentach diamenty mają tylko nanosekundy na wzrost. Dlatego są tak małe. Na planetach będą oczywiście znacznie większe w ciągu milionów lat”.
Superjonowe fazy lodu mogą wyjaśnić niezwykłe pola magnetyczne wokół Urana i Neptuna
W obecnej formie metoda zastosowana w tym eksperymencie nie wytwarza wystarczającej ilości nanodiamentów, aby zbliżyć się do praktycznego procesu przemysłowego. Kraus zwraca jednak uwagę, że nowa technika jest znacznie czystsza niż obecna metoda wykorzystywania materiałów wybuchowych do produkcji przemysłowych nanodiamentów. Te wybuchowe procesy są trudne do kontrolowania i brudne w porównaniu z laserową kompresją uderzeniową tworzyw sztucznych. Chociaż jest mało prawdopodobne, abyśmy wykopali butelki z wysypiska, aby zamienić je w diamenty na skalę przemysłową, Kraus uważa, że ten proces może stać się znacznie bardziej wydajny niż obecne metody.
„Obecnie wytwarzamy tylko kilka mikrogramów nanodiamentów na strzał laserowy”, mówi Kraus. „Ale rewolucyjny wzrost szybkości strzałów tych laserów powinien umożliwić wytwarzanie ilości makroskopowych”.
Badania opisano w Postępy nauki.
