Planetele gigantice de gheață, cum ar fi Neptun și Uranus, sunt foarte abundente în galaxia noastră. Interioarele lor sunt compuse în principal dintr-un amestec fluid dens de apă, metan și amoniac. Din cauza condițiilor extreme, plouă diamante.
Într-un experiment anterior, oamenii de știință au simulat temperaturile severe și presiunile găsite adânc în interior Neptun și Uranusgiganții de gheață ai lui. Pentru prima dată, au putut urmări forma ploii de diamante.
Un nou studiu a descoperit că „ploaia de diamante”, un tip de precipitații exotice ipotetizat îndelung pe planetele gigantice de gheață, ar putea fi mai frecventă decât se credea anterior. Studiul oferă o imagine completă a modului în care se formează ploaia de diamante pe alte planete și, aici pe Pământ, ar putea duce la o nouă modalitate de fabricare a nanodiamantelor, care au o gamă largă de aplicații în livrarea de medicamente, senzori medicali, chirurgie neinvazivă, producție durabilă, și electronică cuantică.
Siegfried Glanzer, director al Diviziei de înaltă densitate energetică la SLAC, a spus, „Hârtia anterioară a fost prima dată când am văzut-o direct formarea diamantelor din orice amestecuri. De atunci, au existat multe experimente cu diferite materiale pure. Dar în interiorul planetelor, este mult mai complicat; multe alte substanțe chimice sunt în amestec. Și așa, ceea ce am vrut să aflăm aici a fost ce fel de efect au aceste substanțe chimice suplimentare.”
Într-un experiment anterior, oamenii de știință s-au uitat la un material plastic format din hidrogen și carbon, două elemente esențiale ale componenței chimice generale a lui Neptun și Uranus. Dar giganții de gheață includ și elemente suplimentare, cum ar fi cantități semnificative de oxigen și carbon, și hidrogen.
Într-un experiment recent, oamenii de știință au folosit plastic PET pentru a reproduce mai exact compoziția acestor planete.
Dominik Kraus, fizician la HZDR și profesor la Universitatea din Rostock, a spus: „PET are un echilibru bun între carbon, hidrogen și oxigen pentru a simula activitatea pe planetele de gheață.”
Oamenii de știință au creat unde de șoc în PET folosind un laser optic de mare putere la instrumentul Matter in Extreme Conditions (MEC) de la Linac Coherent Light Source (LCLS) de la SLAC. Apoi au explorat ce sa întâmplat în plastic cu impulsuri de raze X de la LCLS.
Oamenii de știință au folosit mai târziu difracția cu raze X pentru a urmări cum atomii materialului s-au rearanjat în regiuni mici de diamant. În același timp, au folosit o altă metodă numită împrăștiere cu unghi mic pentru a măsura cât de repede și cât de mari au crescut acele regiuni. Această metodă îi ajută să determine că aceste regiuni de diamant au crescut până la câțiva nanometri lățime. Ei au descoperit că nanodiamantele se pot dezvolta la presiuni și temperaturi mai scăzute decât s-a observat anterior atunci când oxigenul era prezent în substanță.
Kraus a spus: „Efectul oxigenului a fost de a accelera scindarea carbonului și a hidrogenului și, astfel, de a încuraja formarea nanodiamantelor. Însemna că atomii de carbon s-ar putea combina și forma mai ușor diamante. "
Echipa a descoperit, de asemenea, dovada că apa superionică poate apărea în combinație cu diamantele. Această fază de apă recent identificată, denumită frecvent „gheață fierbinte, neagră”, poate fi găsită la presiuni și temperaturi extraordinar de ridicate.
Moleculele de apă se sparg în aceste condiții severe, iar atomii de oxigen se organizează într-o rețea cristalină în care nucleii de hidrogen sunt liberi să se miște. Apa superionică poate conduce curentul electric datorită sarcinii electrice pe aceste nuclee care plutesc liber, ceea ce poate ajuta la explicarea de ce Uranus și Neptun au câmpuri magnetice deosebite.
Descoperirile ar putea influența și înțelegerea planetelor din galaxii îndepărtate, deoarece oamenii de știință cred acum că giganții de gheață sunt cea mai comună formă de planetă în afara sistemului nostru solar.
Omul de știință și colaboratorul SLAC Silvia Pandolfi a spus: „Știm că nucleul Pământului este format predominant din fier, dar multe experimente încă investighează modul în care prezența elementelor mai ușoare poate schimba condițiile de topire și tranzițiile de fază. Experimentul nostru demonstrează modul în care aceste elemente pot schimba condițiile pe care le formează diamantele pe giganții de gheață. Dacă vrem să modelăm cu exactitate planetele, trebuie să ne apropiem cât de mult putem de compoziția reală a interior planetar. "
Studiul indică, de asemenea, o cale potențială pentru fabricarea nanodiamantelor din materiale plastice PET ieftine, folosind compresia de șoc cu laser. Aceste pietre prețioase minuscule sunt utilizate în prezent în abrazivi și agenți de lustruire. Totuși, ele pot fi, de asemenea, utilizați în senzori cuantici, agenți de contrast medicinal și acceleratori de reacție cu energie regenerabilă în viitor.
Omul de știință și colaboratorul SLAC Benjamin Ofori-Okai a spus: „Modul în care nanodiamantele sunt fabricate în prezent este prin a lua o grămadă de carbon sau diamant și a le arunca în aer cu explozibili. Acest lucru creează nanodiamante de diferite dimensiuni și forme și este greu de controlat.”
„Ceea ce vedem în acest experiment este o reactivitate diferită a aceleiași specii la temperatură și presiune ridicată. În unele cazuri, diamantele par să se formeze mai repede decât în altele, ceea ce sugerează că prezența acestor alte substanțe chimice poate accelera acest proces. Producția cu laser ar putea oferi o metodă mai curată și mai ușor de controlat de a produce nanodiamante. Dacă putem proiecta modalități de a schimba unele lucruri despre reactivitate, putem schimba cât de repede se formează și, prin urmare, cât de mari devin.”
Oamenii de știință plănuiesc experimente similare folosind mostre lichide care conțin etanol, apă și amoniac - din ce sunt alcătuiți în principal Uranus și Neptun - care îi vor aduce mai aproape de înțelegerea exactă a modului în care se formează ploaia de diamante pe alte planete.
Nicholas Hartley, om de știință și colaborator SLAC a spus, „Faptul că putem recrea aceste condiții extreme pentru a vedea cum se desfășoară aceste procese la scară foarte rapidă și foarte mică este incitant. Adăugarea de oxigen ne aduce mai aproape ca niciodată de a vedea imaginea completă a acestor procese planetare, dar mai este încă de făcut. Este un pas către obținerea celui mai realist amestec și pentru a vedea cum aceste materiale se comportă cu adevărat pe alte planete.”
Referința jurnalului:
- Zhiyu He și colab. Cinetica de formare a diamantului în probele C─H─O comprimate la șoc, înregistrate prin împrăștiere de raze X cu unghi mic și difracție de raze X. Avansuri de știință. Vol 8, Issue 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
