O disparo de poderosos pulsos de laser em pedaços de plástico forneceu novos insights sobre como os diamantes podem se formar e chover em planetas gigantes de gelo, como Netuno e Urano. O experimento de pesquisadores da Alemanha, França e Estados Unidos também pode levar a um melhor processo industrial de fabricação de diamantes aqui na Terra.
Membro da equipe Dominick Kraus da Universidade de Rostock explica que o grupo usou lasers ópticos pulsados energéticos para conduzir uma onda de compressão de choque em um filme de plástico PET. A pressão da onda era cerca de um milhão de vezes a pressão atmosférica da Terra, que simula condições de alguns milhares de quilômetros abaixo da superfície de gigantes de gelo como Netuno e Urano. A onda de choque viaja apenas por alguns nanossegundos, mas foi tempo suficiente para a equipe usar pulsos de femtossegundos de lasers de elétrons livres de raios-X para fazer “filmes” dos processos químicos dentro das amostras comprimidas por choque.
“Usamos duas técnicas principais de diagnóstico”, diz Kraus. “Difração de raios-X, que nos mostrou que as estruturas de cristal de diamante estão se formando, e espalhamento de raios-X de pequeno ângulo, que forneceu a no local distribuição de tamanho dos diamantes criados.” Ele acrescenta que a combinação dessas duas técnicas em um único experimento é uma forma extremamente poderosa de caracterizar reações químicas em condições tão extremas.
Gigantes de gelo e garrafas plásticas
O PET é o mesmo material usado em garrafas plásticas, mas neste caso foi utilizado um simples filme PET em vez do material mais espesso encontrado nas garrafas.
“Usamos plástico PET porque inclui uma mistura de elementos leves que se acredita serem os principais constituintes dos planetas gigantes gelados: hidrogênio, carbono, oxigênio”, diz Kraus. “Ao mesmo tempo, o PET é estequiometricamente uma mistura de carbono e água. Queríamos abordar a questão de saber se a precipitação de diamantes pode acontecer através da desmistura de carbono e hidrogênio na presença de oxigênio”.
Além de fornecer informações importantes sobre os processos químicos que ocorrem nesses planetas distantes, a pesquisa também fornece pistas sobre como os gigantes do gelo podem formar campos magnéticos. O campo magnético da Terra é criado pelo movimento do ferro líquido no núcleo externo do nosso planeta. Urano e Netuno têm campos magnéticos muito diferentes, que alguns cientistas planetários acreditam que são gerados muito mais perto das superfícies dos planetas pela água superiônica. Nesta forma de água, os átomos de oxigênio formam uma rede cristalina através da qual os íons de hidrogênio podem fluir como um fluido e, portanto, gerar campos magnéticos.
“Não vimos evidências diretas da formação de água superiônica nesses experimentos, pois a pressão provavelmente era muito baixa”, diz Kraus. “No entanto, a desmistura observada de carbono e água certamente aponta para a formação de água superiônica em planetas como Urano e Netuno.”
Diamantes industriais
A pesquisa também pode ter implicações importantes para a produção industrial de diamantes.
“Em nosso experimento, os diamantes atingiram tamanhos de cerca de 2 a 5 nm”, diz Kraus. “São apenas alguns 100 a alguns 1000 átomos de carbono. Isso é mais de 10,000 vezes menor que a espessura de um cabelo humano. Deve-se notar que em nossos experimentos os diamantes têm apenas nanossegundos para crescer. Por isso são tão pequenos. Nos planetas, é claro que eles crescerão muito mais dentro de milhões de anos.”
Fases de gelo superiônicas podem explicar campos magnéticos incomuns em torno de Urano e Netuno
Tal como está, o método usado neste experimento não produz nanodiamantes suficientes para chegar perto de ser um processo industrial prático. No entanto, Kraus ressalta que a nova técnica é muito mais limpa que o método atual de usar explosivos para produzir nanodiamantes industriais. Esses processos explosivos são difíceis de controlar e sujos em comparação com a compressão por choque a laser de plásticos. Embora seja improvável que vamos retirar garrafas do aterro para transformá-las em diamantes em escala industrial, Kraus acredita que esse processo pode se tornar muito mais eficiente do que os métodos atuais.
“Atualmente, criamos apenas alguns microgramas de nanodiamantes por disparo de laser”, diz Kraus. “Mas o aumento revolucionário nas taxas de disparo desses lasers deve permitir a produção de quantidades macroscópicas”.
A pesquisa é descrita em Os avanços da ciência.
