Izstrelitev močnih laserskih impulzov na kose plastike je zagotovila nove vpoglede v to, kako lahko diamanti nastanejo in padajo na ledene planete velikane, kot sta Neptun in Uran. Poskus raziskovalcev v Nemčiji, Franciji in ZDA bi lahko vodil tudi do boljšega industrijskega procesa za izdelavo diamantov tukaj na Zemlji.
Član ekipe Dominik Kraus na Univerzi v Rostocku pojasnjuje, da je skupina uporabila energijsko pulzirajoče optične laserje, da bi potisnila udarni kompresijski val v film iz PET plastike. Tlak valov je bil približno milijonkrat večji od Zemljinega atmosferskega tlaka, kar simulira razmere nekaj tisoč kilometrov pod površjem ledenih velikanov, kot sta Neptun in Uran. Udarni val potuje le nekaj nanosekund, vendar je bilo to dovolj časa, da je ekipa uporabila femtosekundne impulze iz laserjev brez rentgenskih elektronov, da bi posnela "filme" kemičnih procesov znotraj udarno stisnjenih vzorcev.
"Uporabili smo dve glavni diagnostični tehniki," pravi Kraus. »Rentgenska difrakcija, ki nam je pokazala, da se oblikujejo diamantne kristalne strukture, in sipanje rentgenskih žarkov pod majhnim kotom, ki je zagotovilo in-situ porazdelitev velikosti ustvarjenih diamantov." Dodaja, da je kombinacija teh dveh tehnik v enem poskusu izjemno močan način za karakterizacijo kemičnih reakcij v tako ekstremnih pogojih.
Ledeni velikani in plastične steklenice
PET je isti material, ki se uporablja v plastenkah, vendar je bila v tem primeru uporabljena preprosta folija PET namesto debelejšega materiala v plastenkah.
»Uporabili smo plastiko PET, ker vsebuje mešanico lahkih elementov, za katere se domneva, da so glavne sestavine ledenih planetov velikanov: vodik, ogljik, kisik,« pravi Kraus. »Hkrati je PET stehiometrično zmes ogljika in vode. Želeli smo se lotiti vprašanja, ali se diamantna precipitacija lahko zgodi z razmešanjem ogljika in vodika v prisotnosti kisika.
Poleg zagotavljanja pomembnih vpogledov v kemične procese, ki se dogajajo na teh oddaljenih planetih, raziskava zagotavlja tudi namige o tem, kako lahko ledeni velikani tvorijo magnetna polja. Zemljino magnetno polje nastane zaradi gibanja tekočega železa v zunanjem jedru našega planeta. Uran in Neptun imata zelo različni magnetni polji, za katera nekateri planetarni znanstveniki verjamejo, da jih ustvarja superionska voda veliko bližje površini planetov. V tej obliki vode atomi kisika tvorijo kristalno mrežo, skozi katero lahko vodikovi ioni tečejo kot tekočina in tako ustvarjajo magnetna polja.
"V teh poskusih nismo videli neposrednih dokazov za nastanek superionske vode, saj je bil pritisk verjetno prenizek," pravi Kraus. "Vendar opazovano razmešanje ogljika in vode zagotovo kaže na nastanek superionske vode na planetih, kot sta Uran in Neptun."
Industrijski diamanti
Raziskava bi lahko imela pomembne posledice tudi za industrijsko proizvodnjo diamantov.
"V našem poskusu so diamanti dosegli velikost približno 2–5 nm, " pravi Kraus. »To je le nekaj 100 do nekaj 1000 ogljikovih atomov. To je več kot 10,000-krat manjše od debeline človeškega lasu. Opozoriti je treba, da imajo v naših poskusih diamanti le nanosekunde za rast. Zato so tako majhni. Na planetih bodo v milijonih let seveda zrasle veliko večje.«
Superionske ledene faze bi lahko pojasnile nenavadna magnetna polja okoli Urana in Neptuna
V sedanjem stanju metoda, uporabljena v tem poskusu, ne proizvede dovolj nanodiamantov, da bi se približali praktičnemu industrijskemu procesu. Vendar pa Kraus poudarja, da je nova tehnika veliko čistejša od trenutne metode uporabe eksploziva za proizvodnjo industrijskih nanodiamantov. Te eksplozivne postopke je težko nadzorovati in so umazani v primerjavi z laserskim udarnim stiskanjem plastike. Čeprav je malo verjetno, da bomo plastenke kopali iz odlagališča, da bi jih v industrijskem obsegu spremenili v diamante, Kraus meni, da bi ta proces lahko postal veliko učinkovitejši od sedanjih metod.
"Trenutno ustvarimo le nekaj mikrogramov nanodiamantov na laserski strel," pravi Kraus. "Toda revolucionarno povečanje hitrosti strel teh laserjev bi moralo omogočiti proizvodnjo makroskopskih količin."
Raziskava je opisana v Znanost Predplačila.
