Jätteplaneter som Neptunus och Uranus är mycket rikliga i vår galax. Deras inre består huvudsakligen av en tät flytande blandning av vatten, metan och ammoniak. På grund av extrema förhållanden, det regnar diamant.
I ett tidigare experiment simulerade forskare de svåra temperaturerna och trycken som hittats djupt inuti Neptune och Uranuss isjättar. För första gången kunde de se diamantregn bildas.
En ny studie har funnit att "diamantregn", en exotisk typ av nederbörd som länge antagits på isgigantiska planeter, kan vara vanligare än tidigare trott. Studien ger en komplett bild av hur diamantregn bildas på andra planeter och här på jorden kan det leda till ett nytt sätt att tillverka nanodiamanter, som har ett brett spektrum av tillämpningar inom läkemedelsleverans, medicinska sensorer, icke-invasiv kirurgi, hållbar tillverkning, och kvantelektronik.
Siegfried Glanzer, chef för High Energy Density Division på SLAC, sa, "Den tidigare tidningen var första gången som vi direkt såg diamantbildning från alla blandningar. Sedan dess har det gjorts många experiment med olika rena material. Men inne på planeter är det mycket mer komplicerat; många fler kemikalier är i blandningen. Och så, vad vi ville ta reda på här var vilken typ av effekt dessa ytterligare kemikalier har."
I ett tidigare experiment tittade forskare på ett plastmaterial som består av väte och kol, två väsentliga delar av Neptunus och Uranus övergripande kemiska sammansättning. Men isjättar inkluderar också ytterligare element, såsom betydande mängder syre och koloch väte.
I ett färskt experiment använde forskare PET-plast för att reproducera sammansättningen av dessa planeter mer exakt.
Dominik Kraus, fysiker vid HZDR och professor vid universitetet i Rostock, sa: "PET har en bra balans mellan kol, väte och syre för att simulera aktiviteten på isplaneter."
Forskare skapade stötvågor i PET med en kraftfull optisk laser vid instrumentet Matter in Extreme Conditions (MEC) vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS). De undersökte sedan vad som hände i plasten med röntgenpulser från LCLS.
Forskare använde senare röntgendiffraktion för att se när atomerna i materialet omarrangerades till små diamantregioner. Samtidigt använde de en annan metod som kallas small-angle scattering för att mäta hur snabbt och stora dessa regioner växte. Denna metod hjälper dem att fastställa att dessa diamantregioner växte upp till några nanometer breda. De upptäckte att nanodiamanter kunde utvecklas vid lägre tryck och temperaturer än vad som tidigare noterats när syre fanns i ämnet.
Kraus sa, "Effekten av syret var att påskynda uppdelningen av kol och väte och på så sätt uppmuntra bildandet av nanodiamanter. Det innebar att kolatomerna kunde kombineras lättare och bildas diamanter. "
Teamet upptäckte också bevis på att superjoniskt vatten kan förekomma i kombination med diamanter. Denna nyligen identifierade vattenfas som ofta kallas "het, svart is", kan hittas vid extraordinärt höga tryck och temperaturer.
Vattenmolekyler går sönder under dessa svåra förhållanden, och syreatomer organiserar sig i ett kristallgitter där vätekärnor är fria att röra sig. Superioniskt vatten kan leda elektrisk ström på grund av den elektriska laddningen på dessa fritt svävande kärnor, vilket kan hjälpa till att förklara varför Uranus och Neptunus har speciella magnetfält.
Fynden kan också påverka vår förståelse av planeter i avlägsna galaxer eftersom forskare nu tror att isjättar är den vanligaste formen av en planet utanför vårt solsystem.
SLAC-forskaren och samarbetspartnern Silvia Pandolfi sa, "Vi vet att jordens kärna till övervägande del är gjord av järn, men många experiment undersöker fortfarande hur närvaron av lättare grundämnen kan förändra villkoren för smältning och fasövergångar. Vårt experiment visar hur dessa element kan förändra förhållandena som diamanter bildar på isjättar. Om vi vill modellera planeter exakt måste vi komma så nära vi kan den faktiska sammansättningen av planeterna planetariskt inre. "
Studien pekar också på en potentiell väg för tillverkning av nanodiamanter från billiga PET-plaster med hjälp av laserdriven stötkompression. Dessa små ädelstenar används för närvarande i slipmedel och polermedel. Ändå kan de också användas i kvantsensorer, medicinska kontrastmedel och reaktionsacceleratorer för förnybar energi i framtiden.
SLAC-forskaren och samarbetspartnern Benjamin Ofori-Okai sa, "Sättet som nanodiamanter för närvarande tillverkas är genom att ta ett gäng kol eller diamant och spränga det med sprängämnen. Detta skapar nanodiamanter av olika storlekar och former och är svårt att kontrollera."
"Vad vi ser i det här experimentet är en annan reaktivitet av samma art under hög temperatur och högt tryck. I vissa fall verkar diamanterna bildas snabbare än i andra, vilket tyder på att närvaron av dessa andra kemikalier kan påskynda denna process. Laserproduktion skulle kunna erbjuda en renare och mer lättkontrollerad metod för att producera nanodiamanter. Om vi kan designa sätt att ändra vissa saker om reaktiviteten, kan vi ändra hur snabbt de bildas och därmed hur stora de blir."
Forskare planerar liknande experiment med flytande prover som innehåller etanol, vatten och ammoniak – vad Uranus och Neptunus mestadels är gjorda av – vilket kommer att föra dem närmare att förstå exakt hur diamantregn bildas på andra planeter.
SLAC-forskaren och samarbetspartnern Nicholas Hartley sade, "Det faktum att vi kan återskapa dessa extrema förhållanden för att se hur dessa processer utspelar sig i mycket snabba, mycket små skalor är spännande. Att tillsätta syre för oss närmare än någonsin för att se hela bilden av dessa planetära processer, men det finns fortfarande mer arbete att göra. Det är ett steg mot att få den mest realistiska blandningen och se hur dessa material verkligen beter sig på andra planeter.”
Tidskriftsreferens:
- Zhiyu He et al. Diamantbildningskinetik i chockkomprimerade C─H─O-prover registrerade genom röntgenspridning med liten vinkel och röntgendiffraktion. Vetenskap Förskott. Vol 8, nummer 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
