Ледяные планеты-гиганты, такие как Нептун и Уран, очень распространены в нашей галактике. Их внутренние части в основном состоят из плотной жидкой смеси воды, метана и аммиака. Из-за экстремальных условий идут алмазные дожди.
В предыдущем эксперименте ученые смоделировали суровые температуры и давление, обнаруженные глубоко внутри. Neptune и Уранледяные гиганты. Впервые они смогли наблюдать форму алмазного дождя.
Новое исследование показало, что «алмазный дождь», давно предполагаемый экзотический тип осадков на ледяных планетах-гигантах, может быть более распространенным явлением, чем считалось ранее. Исследование предлагает полную картину того, как алмазные дожди образуются на других планетах, и здесь, на Земле, может привести к новому способу изготовления наноалмазов, которые имеют широкий спектр применений в доставке лекарств, медицинских датчиках, неинвазивной хирургии, устойчивом производстве, и квантовая электроника.
Зигфрид Гланцер, директор отдела высокой плотности энергии в СЛАК, сказал, «Предыдущая статья была первым разом, когда мы непосредственно видели алмазообразование из любых смесей. С тех пор было проведено множество экспериментов с различными чистыми материалами. Но внутри планет все намного сложнее; в смеси есть еще много химических веществ. Итак, мы хотели выяснить, какой эффект оказывают эти дополнительные химические вещества».
В предыдущем эксперименте ученые рассмотрели пластиковый материал, состоящий из водорода и углерода, двух основных элементов общего химического состава Нептуна и Урана. Но ледяные гиганты также включают в себя дополнительные элементы, такие как значительное количество кислород и углерод, и водород.
В недавнем эксперименте ученые использовали ПЭТ-пластик, чтобы более точно воспроизвести состав этих планет.
Доминик Краус, физик из HZDR и профессор Ростокского университета, сказал: «ПЭТ имеет хороший баланс между углеродом, водородом и кислородом для имитации активности ледяных планет».
Ученые создали ударные волны в ПЭТ с помощью мощного оптического лазера на приборе Matter in Extreme Conditions (MEC) в источнике когерентного света Linac (LCLS) SLAC. Затем они исследовали, что произошло в пластике, с помощью импульсов рентгеновского излучения от LCLS.
Позже ученые использовали дифракцию рентгеновских лучей, чтобы наблюдать, как атомы материала перестраиваются в небольшие алмазные области. В то же время они использовали другой метод, называемый малоугловым рассеянием, чтобы измерить, насколько быстро и насколько велики эти области. Этот метод помогает им определить, что эти алмазные области выросли до нескольких нанометров в ширину. Они обнаружили, что наноалмазы могут образовываться при более низких давлениях и температурах, чем отмечалось ранее, когда в веществе присутствовал кислород.
Краус сказал, «Эффект кислорода заключался в ускорении расщепления углерода и водорода и, таким образом, стимулировании образования наноалмазов. Это означало, что атомы углерода могли легче соединяться и образовывать бриллианты".
Команда также обнаружила доказательства того, что суперионная вода может возникать в сочетании с алмазами. Эта недавно идентифицированная водная фаза, которую часто называют «горячим черным льдом», может быть обнаружена при необычайно высоких давлениях и температурах.
В этих суровых условиях молекулы воды разрушаются, а атомы кислорода организуются в кристаллическую решетку, где ядра водорода могут свободно перемещаться. Суперионная вода может проводить электрический ток из-за электрического заряда этих свободно плавающих ядер, что может помочь объяснить, почему Уран и Нептун имеют специфические магнитные поля.
Полученные данные могут также повлиять на наше понимание планет в далеких галактиках, поскольку теперь ученые считают, что ледяные гиганты являются наиболее распространенной формой планет за пределами нашей Солнечной системы.
Ученый и сотрудник SLAC Сильвия Пандольфи сказала: «Мы знаем, что ядро Земли преимущественно состоит из железа, но многие эксперименты все еще исследуют, как присутствие более легких элементов может изменить условия плавления и фазовых переходов. Наш эксперимент демонстрирует, как эти элементы могут изменить условия образования алмазов на ледяных гигантах. Если мы хотим точно смоделировать планеты, нам нужно максимально приблизиться к реальному составу планеты. планетарный интерьер".
Исследование также указывает на потенциальный путь производства наноалмазов из недорогого ПЭТ-пластика с использованием ударного сжатия с лазерным приводом. Эти крошечные драгоценные камни в настоящее время используются в абразивах и полировальных составах. Тем не менее, в будущем они также могут быть использованы в квантовых датчиках, медицинских контрастных веществах и ускорителях реакций на возобновляемых источниках энергии.
Ученый и сотрудник SLAC Бенджамин Офори-Окаи сказал: «Способ производства наноалмазов в настоящее время заключается в том, что берется сгусток углерода или алмаза и взрывается взрывчаткой. Это создает наноалмазы различных размеров и форм, и их трудно контролировать».
«В этом эксперименте мы наблюдаем различную реактивность одних и тех же видов при высокой температуре и давлении. В некоторых случаях кажется, что алмазы формируются быстрее, чем в других, что говорит о том, что присутствие этих других химических веществ может ускорить этот процесс. Лазерное производство может предложить более чистый и легко контролируемый метод производства наноалмазов. Если мы сможем придумать способы изменить некоторые аспекты реактивности, мы сможем изменить скорость их формирования и, следовательно, то, насколько большими они станут».
Ученые планируют аналогичные эксперименты с использованием жидких образцов, содержащих этанол, воду и аммиак, из которых в основном состоят Уран и Нептун, что приблизит их к пониманию того, как именно образуются алмазные дожди на других планетах.
Ученый SLAC и сотрудник Николас Хартли — сказал, «Тот факт, что мы можем воссоздать эти экстремальные условия, чтобы увидеть, как эти процессы протекают в очень быстрых и очень малых масштабах, впечатляет. Добавление кислорода как никогда приближает нас к полной картине этих планетарных процессов, но предстоит еще много работы. Это шаг к тому, чтобы получить наиболее реалистичную смесь и увидеть, как эти материалы действительно ведут себя на других планетах».
Справочник журнала:
- Чжию Хэ и др. Кинетика алмазообразования в ударно сжатых образцах C─H─O, зарегистрированная методами малоуглового рентгеновского рассеяния и рентгеновской дифракции. Наука развивается. Том 8, выпуск 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
