Ledenih velikanov, kot sta Neptun in Uran, je v naši galaksiji zelo veliko. Njihova notranjost je v glavnem sestavljena iz goste tekoče mešanice vode, metana in amoniaka. Zaradi ekstremnih razmer tam dežuje diamant.
V prejšnjem poskusu so znanstveniki simulirali visoke temperature in pritiske globoko v notranjosti Neptun in Uranledeni velikani. Prvič so lahko opazovali nastajanje diamantnega dežja.
Nova študija je pokazala, da bi lahko bil "diamantni dež", dolgo domnevna eksotična vrsta padavin na ledenih velikanskih planetih, pogostejši, kot se je prej mislilo. Študija ponuja popolno sliko o tem, kako nastane diamantni dež na drugih planetih in bi lahko tukaj na Zemlji pripeljala do novega načina izdelave nanodiamantov, ki imajo široko paleto aplikacij pri dostavi zdravil, medicinskih senzorjih, neinvazivni kirurgiji, trajnostni proizvodnji, in kvantna elektronika.
Siegfried Glanzer, direktor oddelka za visoko energijsko gostoto pri SLAC, je dejal, »Prvič smo neposredno videli prejšnji dokument nastanek diamanta iz kakršnih koli mešanic. Od takrat je bilo veliko poskusov z različnimi čistimi materiali. Toda znotraj planetov je veliko bolj zapleteno; veliko več kemikalij je v mešanici. In tako smo želeli ugotoviti, kakšen učinek imajo te dodatne kemikalije."
V predhodnem poskusu so si znanstveniki ogledali plastični material, sestavljen iz vodika in ogljika, dveh bistvenih elementov celotne kemične sestave Neptuna in Urana. Toda ledeni velikani vključujejo tudi dodatne elemente, kot so znatne količine kisik in ogljika, in vodik.
V nedavnem poskusu so znanstveniki uporabili PET plastiko za natančnejšo reprodukcijo sestave teh planetov.
Dominik Kraus, fizik pri HZDR in profesor na Univerzi v Rostocku, je dejal, "PET ima dobro ravnotežje med ogljikom, vodikom in kisikom za simulacijo dejavnosti na ledenih planetih."
Znanstveniki so ustvarili udarne valove v PET z uporabo visokozmogljivega optičnega laserja na instrumentu Matter in Extreme Conditions (MEC) na SLAC-ovem Linac Coherent Light Source (LCLS). Nato so z rentgenskimi impulzi iz LCLS raziskali, kaj se je zgodilo v plastiki.
Znanstveniki so kasneje uporabili rentgensko difrakcijo, da bi opazovali, kako se atomi materiala prerazporedijo v majhne diamantne regije. Hkrati so uporabili drugo metodo, imenovano sipanje pod majhnim kotom, da bi izmerili, kako hitro in velike so te regije rasle. Ta metoda jim pomaga ugotoviti, da so te diamantne regije zrasle do nekaj nanometrov široke. Odkrili so, da se lahko nanodiamanti razvijejo pri nižjih tlakih in temperaturah, kot je bilo prej ugotovljeno, ko je v snovi prisoten kisik.
Kraus je rekel, »Učinek kisika je pospešil cepitev ogljika in vodika in tako spodbudil nastanek nanodiamantov. To je pomenilo, da se lahko ogljikovi atomi lažje združujejo in oblikujejo diamanti«.
Ekipa je odkrila tudi dokaz, da se lahko superionska voda pojavi v kombinaciji z diamanti. To nedavno ugotovljeno vodno fazo, ki se pogosto imenuje "vroč, črni led", je mogoče najti pri izjemno visokih tlakih in temperaturah.
Molekule vode se pod temi hudimi pogoji zlomijo in atomi kisika se organizirajo v kristalno mrežo, kjer se vodikova jedra prosto gibljejo. Superionska voda lahko prevaja električni tok zaradi električnega naboja na teh prosto lebdečih jedrih, kar lahko pomaga razložiti, zakaj imata Uran in Neptun nenavadna magnetna polja.
Ugotovitve bi lahko vplivale tudi na naše razumevanje planetov v oddaljenih galaksijah, saj znanstveniki zdaj verjamejo, da so ledeni velikani najpogostejša oblika planetov zunaj našega sončnega sistema.
Znanstvenica in sodelavka SLAC Silvia Pandolfi je dejala, »Vemo, da je Zemljino jedro pretežno sestavljeno iz železa, vendar številni eksperimenti še vedno raziskujejo, kako lahko prisotnost lažjih elementov spremeni pogoje taljenja in faznih prehodov. Naš eksperiment prikazuje, kako lahko ti elementi spremenijo pogoje, v katerih se diamanti oblikujejo na ledenih velikanih. Če želimo natančno modelirati planete, se moramo čim bolj približati dejanski sestavi planetov notranjost planeta«.
Študija prav tako kaže na potencialno pot za proizvodnjo nanodiamantov iz poceni PET plastike z lasersko udarno kompresijo. Ti drobni dragulji se trenutno uporabljajo v abrazivih in polirnih sredstvih. Kljub temu se lahko v prihodnosti uporabljajo tudi v kvantnih senzorjih, medicinskih kontrastnih sredstvih in pospeševalnikih reakcij na obnovljivo energijo.
Znanstvenik in sodelavec SLAC Benjamin Ofori-Okai je dejal, »Nanodiamante trenutno izdelujemo tako, da vzamemo kup ogljika ali diamanta in ga razstrelimo z eksplozivom. To ustvarja nanodiamante različnih velikosti in oblik, ki jih je težko nadzorovati."
»V tem poskusu vidimo drugačno reaktivnost iste vrste pod visoko temperaturo in pritiskom. V nekaterih primerih se zdi, da diamanti nastajajo hitreje kot v drugih, kar nakazuje, da lahko prisotnost teh drugih kemikalij pospeši ta proces. Laserska proizvodnja bi lahko ponudila čistejšo in lažje nadzorovano metodo za proizvodnjo nanodiamantov. Če lahko oblikujemo načine, kako spremeniti nekatere stvari glede reaktivnosti, lahko spremenimo, kako hitro nastanejo in s tem, kako veliki postanejo.
Znanstveniki načrtujejo podobne poskuse z uporabo tekočih vzorcev, ki vsebujejo etanol, vodo in amoniak – iz česar sta večinoma sestavljena Uran in Neptun – kar jih bo približalo razumevanju, kako točno nastane diamantni dež na drugih planetih.
Znanstvenik in sodelavec SLAC Nicholas Hartley je dejal, »Dejstvo, da lahko poustvarimo te ekstremne pogoje, da vidimo, kako se ti procesi odvijajo v zelo hitrem, zelo majhnem obsegu, je vznemirljivo. Dodajanje kisika nam omogoča, da vidimo celotno sliko teh planetarnih procesov bližje kot kdaj koli prej, vendar je treba opraviti še več dela. To je korak k temu, da dobimo najbolj realistično mešanico in vidimo, kako se ti materiali resnično obnašajo na drugih planetih.«
Referenca dnevnika:
- Zhiyu He et al. Kinetika nastajanja diamanta v vzorcih C─H─O, stisnjenih s udarcem, posneta z malokotnim sipanjem rentgenskih žarkov in rentgensko difrakcijo. Znanost Predplačila. Zvezek 8, številka 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
