Lodowe olbrzymy, takie jak Neptun i Uran, są bardzo liczne w naszej galaktyce. Ich wnętrza składają się głównie z gęstej płynnej mieszaniny wody, metanu i amoniaku. Ze względu na ekstremalne warunki pada tam diament.
W poprzednim eksperymencie naukowcy symulowali wysokie temperatury i ciśnienia występujące głęboko w środku Neptun i Uranlodowi giganci. Po raz pierwszy mogli zobaczyć kształt diamentowego deszczu.
Nowe badanie wykazało, że „deszcz diamentowy”, od dawna hipotetyczny egzotyczny rodzaj opadów na lodowych planetach olbrzymów, może być bardziej powszechny niż wcześniej sądzono. Badanie oferuje pełny obraz tego, jak diamentowy deszcz tworzy się na innych planetach, a tu na Ziemi może doprowadzić do nowego sposobu wytwarzania nanodiamentów, które mają szeroki wachlarz zastosowań w dostarczaniu leków, czujnikach medycznych, chirurgii nieinwazyjnej, zrównoważonej produkcji, i elektronika kwantowa.
Siegfried Glanzer, dyrektor działu High Energy Density Division w SLACpowiedział „Wcześniejszy artykuł był pierwszym, kiedy bezpośrednio zobaczyliśmy formacja diamentowa z dowolnych mieszanin. Od tego czasu przeprowadzono wiele eksperymentów z różnymi czystymi materiałami. Ale na planetach sprawa jest znacznie bardziej skomplikowana; o wiele więcej chemikaliów jest w mieszance. Dlatego chcieliśmy się tutaj dowiedzieć, jaki efekt mają te dodatkowe chemikalia”.
W poprzednim eksperymencie naukowcy przyjrzeli się materiałowi z tworzywa sztucznego składającemu się z wodoru i węgla, dwóch podstawowych elementów ogólnego składu chemicznego Neptuna i Urana. Ale lodowe olbrzymy zawierają również dodatkowe elementy, takie jak znaczne ilości tlen i węgieli wodór.
W niedawnym eksperymencie naukowcy wykorzystali plastik PET do dokładniejszego odtworzenia składu tych planet.
Dominik Kraus, fizyk w HZDR i profesor na Uniwersytecie w Rostocku, powiedział: „PET ma dobrą równowagę między węglem, wodorem i tlenem, aby symulować aktywność na lodowych planetach”.
Naukowcy stworzyli fale uderzeniowe w PET za pomocą lasera optycznego o dużej mocy w instrumencie Matter in Extreme Conditions (MEC) w źródle światła koherentnego Linac (LCLS) SLAC. Następnie zbadali, co stało się w plastiku za pomocą impulsów rentgenowskich z LCLS.
Naukowcy później wykorzystali dyfrakcję promieni rentgenowskich, aby obserwować, jak atomy materiału przekształcają się w małe obszary diamentowe. Jednocześnie użyli innej metody zwanej rozpraszaniem pod małymi kątami, aby zmierzyć, jak szybko i jak duże rosły te regiony. Ta metoda pomaga im ustalić, że te obszary diamentów rozrosły się do kilku nanometrów szerokości. Odkryli, że nanodiamenty mogą powstawać przy niższych ciśnieniach i temperaturach niż wcześniej zauważono, gdy w substancji obecny był tlen.
Kraus powiedział: „Efektem tlenu było przyspieszenie rozszczepiania węgla i wodoru, a tym samym zachęcenie do tworzenia nanodiamentów. Oznaczało to, że atomy węgla mogły łatwiej się łączyć i tworzyć diamenty".
Zespół odkrył również dowód na to, że woda nadjonowa może występować w połączeniu z diamentami. Ta niedawno zidentyfikowana faza wodna, często nazywana „gorącym, czarnym lodem”, można znaleźć przy niezwykle wysokich ciśnieniach i temperaturach.
Cząsteczki wody pękają w tych trudnych warunkach, a atomy tlenu organizują się w sieć krystaliczną, w której jądra wodoru mogą się swobodnie poruszać. Woda w stanie superjonowym może przewodzić prąd elektryczny dzięki ładunkowi elektrycznemu na tych swobodnie pływających jądrach, co może pomóc wyjaśnić, dlaczego Uran i Neptun mają szczególne pola magnetyczne.
Odkrycia mogą również wpłynąć na nasze zrozumienie planet w odległych galaktykach, ponieważ naukowcy uważają, że lodowe olbrzymy są najczęstszą formą planet poza naszym Układem Słonecznym.
Naukowiec SLAC i współpracowniczka Silvia Pandolfi powiedziała: „Wiemy, że jądro Ziemi składa się głównie z żelaza, ale wiele eksperymentów wciąż bada, w jaki sposób obecność lżejszych pierwiastków może zmienić warunki topnienia i przejść fazowych. Nasz eksperyment pokazuje, w jaki sposób te pierwiastki mogą zmieniać warunki, w jakich formują się diamenty na lodowych olbrzymach. Jeśli chcemy dokładnie modelować planety, musimy jak najbardziej zbliżyć się do rzeczywistego składu planetarne wnętrze".
Badanie wskazuje również na potencjalną drogę wytwarzania nanodiamentów z niedrogich tworzyw sztucznych PET przy użyciu laserowej kompresji uderzeń. Te małe klejnoty są obecnie używane w środkach ściernych i polerujących. Jednak w przyszłości mogą być również wykorzystywane w czujnikach kwantowych, medycznych środkach kontrastowych i akceleratorach reakcji na energię odnawialną.
Naukowiec SLAC i współpracownik Benjamin Ofori-Okai powiedział: „Obecnie wytwarza się nanodiamenty, biorąc wiązkę węgla lub diamentu i wysadzając je materiałami wybuchowymi. W ten sposób powstają nanodiamenty o różnych rozmiarach i kształtach i trudno je kontrolować”.
„W tym eksperymencie obserwujemy inną reaktywność tego samego gatunku pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia. W niektórych przypadkach diamenty wydają się formować szybciej niż w innych, co sugeruje, że obecność tych innych substancji chemicznych może przyspieszyć ten proces. Produkcja laserowa mogłaby zaoferować czystszą i łatwiejszą do kontrolowania metodę wytwarzania nanodiamentów. Jeśli uda nam się zaprojektować sposoby zmiany niektórych rzeczy dotyczących reaktywności, możemy zmienić szybkość ich tworzenia, a tym samym wielkość”.
Naukowcy planują podobne eksperymenty z wykorzystaniem ciekłych próbek zawierających etanol, wodę i amoniak – z czego głównie zbudowany jest Uran i Neptun – co przybliży ich do dokładnego zrozumienia, w jaki sposób diamentowy deszcz powstaje na innych planetach.
Naukowiec SLAC i współpracownik Nicholas Hartley powiedziany, „Fakt, że możemy odtworzyć te ekstremalne warunki, aby zobaczyć, jak te procesy przebiegają w bardzo szybkich, bardzo małych skalach, jest ekscytujący. Dodanie tlenu przybliża nas niż kiedykolwiek do pełnego obrazu tych procesów planetarnych, ale wciąż jest jeszcze wiele do zrobienia. To krok w kierunku uzyskania najbardziej realistycznej mieszanki i zobaczenia, jak te materiały naprawdę zachowują się na innych planetach”.
Referencje czasopisma:
- Zhiyu He i in. Kinetyka tworzenia diamentów w próbkach C─H─O sprężonym uderzeniem rejestrowana metodą rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pod małymi kątami i dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Postępy nauki. Tom 8, wydanie 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
