Planetas gigantes de gelo, como Netuno e Urano, são altamente abundantes em nossa galáxia. Seus interiores são compostos principalmente de uma mistura fluida densa de água, metano e amônia. Devido às condições extremas, chove diamante.
Em um experimento anterior, os cientistas simularam as temperaturas severas e as pressões encontradas nas profundezas Netuno e Uranodos gigantes de gelo. Pela primeira vez, eles puderam ver a chuva de diamantes se formar.
Um novo estudo descobriu que a “chuva de diamante”, um tipo exótico de precipitação em planetas gigantes de gelo, pode ser mais comum do que se pensava anteriormente. O estudo oferece uma visão completa de como a chuva de diamantes se forma em outros planetas e, aqui na Terra, pode levar a uma nova maneira de fabricar nanodiamantes, que têm uma vasta gama de aplicações na entrega de medicamentos, sensores médicos, cirurgia não invasiva, fabricação sustentável, e eletrônica quântica.
Siegfried Glanzer, diretor da Divisão de Alta Densidade de Energia da SLAC, disse, “O artigo anterior foi a primeira vez que vimos diretamente formação de diamante de qualquer mistura. Desde então, tem havido muitos experimentos com diferentes materiais puros. Mas dentro dos planetas é muito mais complicado; muitos outros produtos químicos estão na mistura. E assim, o que queríamos descobrir aqui era que tipo de efeito esses produtos químicos adicionais têm.”
Em um experimento anterior, os cientistas analisaram um material plástico composto por hidrogênio e carbono, dois elementos essenciais da composição química geral de Netuno e Urano. Mas os gigantes do gelo também incluem elementos adicionais, como quantidades significativas de oxigênio e carbono, e hidrogênio.
Em um experimento recente, os cientistas usaram plástico PET para reproduzir a composição desses planetas com mais precisão.
Dominik Kraus, físico da HZDR e professor da Universidade de Rostock, disse: “O PET tem um bom equilíbrio entre carbono, hidrogênio e oxigênio para simular a atividade em planetas de gelo.”
Os cientistas criaram ondas de choque no PET usando um laser óptico de alta potência no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) na Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC. Eles então exploraram o que aconteceu no plástico com pulsos de raios-X do LCLS.
Mais tarde, os cientistas usaram a difração de raios X para observar os átomos do material se reorganizando em pequenas regiões de diamante. Ao mesmo tempo, eles usaram outro método chamado espalhamento de pequeno ângulo para medir o quão rápido e grande essas regiões cresciam. Esse método os ajuda a determinar que essas regiões de diamante cresceram até alguns nanômetros de largura. Eles descobriram que os nanodiamantes podem se desenvolver em pressões e temperaturas mais baixas do que as observadas anteriormente quando o oxigênio estava presente na substância.
Kraus disse, “O efeito do oxigênio foi acelerar a separação do carbono e do hidrogênio e, assim, estimular a formação de nanodiamantes. Isso significava que os átomos de carbono poderiam se combinar mais facilmente e formar diamantes. "
A equipe também descobriu provas de que a água superiônica pode ocorrer em combinação com diamantes. Essa fase de água recentemente identificada, frequentemente chamada de “gelo preto e quente”, pode ser encontrada em pressões e temperaturas extraordinariamente altas.
As moléculas de água se quebram sob essas condições severas e os átomos de oxigênio se organizam em uma rede cristalina onde os núcleos de hidrogênio estão livres para se mover. A água superiônica pode conduzir corrente elétrica devido à carga elétrica nesses núcleos flutuantes, o que pode ajudar a explicar por que Urano e Netuno têm campos magnéticos peculiares.
As descobertas também podem afetar nossa compreensão dos planetas em galáxias distantes, já que os cientistas agora acreditam que os gigantes de gelo são a forma mais comum de planeta fora do nosso sistema solar.
A cientista e colaboradora do SLAC, Silvia Pandolfi, disse: “Sabemos que o núcleo da Terra é predominantemente feito de ferro, mas muitos experimentos ainda estão investigando como a presença de elementos mais leves pode alterar as condições de fusão e transições de fase. Nosso experimento demonstra como esses elementos podem alterar as condições que os diamantes formam em gigantes de gelo. Se quisermos modelar planetas com precisão, precisamos chegar o mais próximo possível da composição real do planeta. interior planetário. "
O estudo também aponta para uma rota potencial para a fabricação de nanodiamantes a partir de plásticos PET baratos usando compressão de choque acionada por laser. Estas pequenas gemas são atualmente usadas em abrasivos e agentes de polimento. Ainda assim, eles também podem ser utilizados em sensores quânticos, agentes de contraste medicinais e aceleradores de reação de energia renovável no futuro.
O cientista e colaborador do SLAC, Benjamin Ofori-Okai, disse: “A maneira como os nanodiamantes são feitos atualmente é pegando um monte de carbono ou diamante e explodindo-os com explosivos. Isso cria nanodiamantes de vários tamanhos e formas e é difícil de controlar.”
“O que estamos vendo neste experimento é uma reatividade diferente da mesma espécie sob alta temperatura e pressão. Em alguns casos, os diamantes parecem estar se formando mais rápido do que em outros, o que sugere que a presença desses outros produtos químicos pode acelerar esse processo. A produção a laser pode oferecer um método mais limpo e controlado para produzir nanodiamantes. Se pudermos projetar maneiras de mudar algumas coisas sobre a reatividade, podemos mudar a rapidez com que elas se formam e, portanto, quão grandes elas ficam.”
Os cientistas estão planejando experimentos semelhantes usando amostras líquidas contendo etanol, água e amônia – do que Urano e Netuno são feitos principalmente – o que os aproximará de entender exatamente como a chuva de diamantes se forma em outros planetas.
Cientista e colaborador do SLAC Nicholas Hartley dito, “O fato de podermos recriar essas condições extremas para ver como esses processos se desenrolam em escalas muito rápidas e muito pequenas é emocionante. A adição de oxigênio nos aproxima mais do que nunca de ver a imagem completa desses processos planetários, mas ainda há mais trabalho a ser feito. É um passo para obter a mistura mais realista e ver como esses materiais realmente se comportam em outros planetas.”
Jornal de referência:
- Zhiyu He et al. Cinética de formação de diamante em amostras de C─H─O comprimidas por choque registradas por espalhamento de raios X de pequeno ângulo e difração de raios X. Os avanços da ciência. Vol 8, Edição 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
