Tragerea de impulsuri laser puternice asupra bucăților de plastic a oferit noi perspective asupra modului în care diamantele s-ar putea forma și s-ar putea ploaie pe planete gigantice de gheață, cum ar fi Neptun și Uranus. Experimentul cercetătorilor din Germania, Franța și SUA ar putea duce, de asemenea, la un proces industrial mai bun pentru fabricarea diamantelor aici pe Pământ.
Membru al echipei Dominik Kraus de la Universitatea din Rostock explică că grupul a folosit lasere optice cu pulsații energetice pentru a conduce o undă de compresie de șoc într-o peliculă de plastic PET. Presiunea valului a fost de aproximativ un milion de ori presiunea atmosferică a Pământului, ceea ce simulează condițiile la câteva mii de kilometri sub suprafața unor giganți de gheață precum Neptun și Uranus. Unda de șoc se deplasează doar pentru câteva nanosecunde, dar acesta a fost timp suficient pentru ca echipa să folosească impulsuri de femtosecunde de la lasere cu electroni liberi de raze X pentru a realiza „filme” ale proceselor chimice din interiorul probelor comprimate cu șoc.
„Am folosit două tehnici principale de diagnosticare”, spune Kraus. „Difracția cu raze X, care ne-a arătat că se formează structuri cristaline de diamant și împrăștierea cu raze X cu unghi mic, care a oferit in-situ distribuția mărimii diamantelor create.” El adaugă că combinarea acestor două tehnici într-un singur experiment este o modalitate extrem de puternică de caracterizare a reacțiilor chimice în condiții atât de extreme.
Giganți de gheață și sticle de plastic
PET-ul este același material folosit în sticlele de plastic, dar în acest caz a fost folosită o folie PET simplă, mai degrabă decât materialul mai gros găsit în sticle.
„Am folosit plastic PET deoarece include un amestec de elemente ușoare despre care se crede că sunt principalii constituenți ai planetelor gigantice de gheață: hidrogen, carbon, oxigen”, spune Kraus. „În același timp, PET-ul este din punct de vedere stoichiometric un amestec de carbon și apă. Am vrut să abordăm întrebarea dacă precipitarea diamantelor poate avea loc prin demixarea carbonului și a hidrogenului în prezența oxigenului.”
Pe lângă faptul că oferă informații importante asupra proceselor chimice care au loc pe aceste planete îndepărtate, cercetarea oferă și indicii despre modul în care giganții de gheață pot forma câmpuri magnetice. Câmpul magnetic al Pământului este creat de mișcarea fierului lichid în miezul exterior al planetei noastre. Uranus și Neptun au câmpuri magnetice foarte diferite, despre care unii oameni de știință planetar cred că sunt generate mult mai aproape de suprafețele planetelor de apa superionică. În această formă de apă, atomii de oxigen formează o rețea cristalină prin care ionii de hidrogen pot curge ca un fluid și, prin urmare, pot genera câmpuri magnetice.
„Nu am văzut dovezi directe pentru formarea apei superionice în aceste experimente, deoarece presiunea a fost probabil prea scăzută”, spune Kraus. „Cu toate acestea, demixarea observată a carbonului și a apei indică cu siguranță formarea apei superionice pe planete precum Uranus și Neptun.”
Diamante industriale
Cercetarea ar putea avea, de asemenea, implicații importante pentru producția industrială de diamante.
„În experimentul nostru, diamantele au atins dimensiuni de aproximativ 2–5 nm”, spune Kraus. „Acesta este doar câțiva 100 până la câțiva 1000 de atomi de carbon. Aceasta este de peste 10,000 de ori mai mică decât grosimea unui păr uman. Trebuie remarcat faptul că, în experimentele noastre, diamantele au doar nanosecunde să crească. Acesta este motivul pentru care sunt atât de mici. Pe planete, ele vor crește, desigur, mult mai mari în milioane de ani.”
Fazele superionice de gheață ar putea explica câmpurile magnetice neobișnuite din jurul lui Uranus și Neptun
În prezent, metoda folosită în acest experiment nu produce suficiente nanodiamante pentru a se apropia de un proces industrial practic. Cu toate acestea, Kraus subliniază că noua tehnică este mult mai curată decât metoda actuală de utilizare a explozivilor pentru a produce nanodiamante industriale. Aceste procese explozive sunt greu de controlat și murdare în comparație cu compresia cu șoc cu laser a materialelor plastice. Deși este puțin probabil să scoatem sticle din groapa de gunoi pentru a le transforma în diamante la scară industrială, Kraus crede că acest proces ar putea deveni mult mai eficient decât metodele actuale.
„În prezent, creăm doar câteva micrograme de nanodiamande per fotografie cu laser”, spune Kraus. „Dar creșterea revoluționară a ratelor de tragere ale acelor lasere ar trebui să permită producerea de cantități macroscopice.”
Cercetarea este descrisă în Avansuri de știință.
