Обстрел кусками пластика мощными лазерными импульсами позволил по-новому взглянуть на то, как алмазы могут образовываться и выпадать дождем на ледяных планетах-гигантах, таких как Нептун и Уран. Эксперимент исследователей из Германии, Франции и США также может привести к улучшению промышленного процесса производства алмазов здесь, на Земле.
Участник команды Доминик Краус из Университета Ростока объясняет, что группа использовала мощные импульсные оптические лазеры для возбуждения волны ударного сжатия в пленке из ПЭТ-пластика. Давление волны примерно в миллион раз превышало земное атмосферное давление, что имитирует условия на несколько тысяч километров под поверхностью ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран. Ударная волна распространяется всего несколько наносекунд, но этого времени было достаточно, чтобы команда использовала фемтосекундные импульсы рентгеновских лазеров на свободных электронах, чтобы снимать «кино» химических процессов внутри ударно-сжатых образцов.
«Мы использовали два основных диагностических метода, — говорит Краус. «Рентгеновская дифракция, которая показала нам, что формируются кристаллические структуры алмаза, и малоугловое рентгеновское рассеяние, которое обеспечило на месте распределение размеров созданных бриллиантов». Он добавляет, что сочетание этих двух методов в одном эксперименте является чрезвычайно мощным способом описания химических реакций в таких экстремальных условиях.
Ледяные гиганты и пластиковые бутылки
ПЭТ — это тот же материал, который используется в пластиковых бутылках, но в данном случае использовалась простая ПЭТ-пленка, а не более толстый материал, используемый в бутылках.
«Мы использовали ПЭТ-пластик, потому что он включает в себя смесь легких элементов, которые считаются основными составляющими ледяных планет-гигантов: водород, углерод, кислород», — говорит Краус. «В то же время ПЭТ стехиометрически представляет собой смесь углерода и воды. Мы хотели решить вопрос о том, может ли происходить осаждение алмазов за счет расслоения углерода и водорода в присутствии кислорода».
Исследование не только дает важные сведения о химических процессах, происходящих на этих далеких планетах, но и дает представление о том, как ледяные гиганты могут формировать магнитные поля. Магнитное поле Земли создается движением жидкого железа во внешнем ядре нашей планеты. У Урана и Нептуна очень разные магнитные поля, которые, по мнению некоторых ученых-планетологов, создаются намного ближе к поверхности планет суперионной водой. В этой форме воды атомы кислорода образуют кристаллическую решетку, через которую ионы водорода могут течь подобно жидкости и, следовательно, генерировать магнитные поля.
«В этих экспериментах мы не видели прямых доказательств образования суперионной воды, поскольку давление, вероятно, было слишком низким», — говорит Краус. «Однако наблюдаемое разделение углерода и воды определенно указывает на образование суперионной воды на таких планетах, как Уран и Нептун».
Промышленные алмазы
Исследование также может иметь важные последствия для промышленного производства алмазов.
«В нашем эксперименте алмазы достигли размеров около 2–5 нм», — говорит Краус. «Это всего от нескольких сотен до нескольких тысяч атомов углерода. Это более чем в 100 1000 раз меньше толщины человеческого волоса. Следует отметить, что в наших экспериментах у алмазов есть только наносекунды для роста. Вот почему они такие маленькие. На планетах они, конечно, вырастут намного больше в течение миллионов лет».
Фазы суперионного льда могут объяснить необычные магнитные поля вокруг Урана и Нептуна
В нынешнем виде метод, использованный в этом эксперименте, не дает достаточного количества наноалмазов, чтобы приблизиться к практическому промышленному процессу. Однако Краус отмечает, что новый метод намного чище, чем нынешний метод использования взрывчатых веществ для производства промышленных наноалмазов. Эти взрывные процессы трудно контролировать и они являются грязными по сравнению с ударным лазерным сжатием пластмасс. Хотя маловероятно, что мы будем выкапывать бутылки на свалке, чтобы превращать их в бриллианты в промышленных масштабах, Краус считает, что этот процесс может стать намного более эффективным, чем существующие методы.
«В настоящее время мы создаем всего несколько микрограммов наноалмазов за лазерный выстрел», — говорит Краус. «Но революционное увеличение частоты выстрелов этих лазеров должно позволить производить макроскопические количества».
Исследование описано в Наука развивается.
