Att avfyra kraftfulla laserpulser mot plastbitar har gett nya insikter om hur diamanter kan bildas och regna ner på isgigantiska planeter som Neptunus och Uranus. Experimentet av forskare i Tyskland, Frankrike och USA kan också leda till en bättre industriell process för att göra diamanter här på jorden.
Teammedlem Dominik Kraus vid University of Rostock förklarar att gruppen använde energiska pulsade optiska lasrar för att driva in en stötkompressionsvåg i en film av PET-plast. Vågens tryck var ungefär en miljon gånger jordens atmosfärstryck, vilket simulerar förhållanden några tusen kilometer under ytan av isjättar som Neptunus och Uranus. Stötvågen färdas bara i några nanosekunder, men det var tillräckligt med tid för teamet att använda femtosekundspulser från röntgenfria elektronlasrar för att göra "filmer" av de kemiska processerna inuti de chockkomprimerade proverna.
"Vi använde två huvudsakliga diagnostiska tekniker", säger Kraus. "Röntgendiffraktion, som visade oss att diamantkristallstrukturer bildas, och röntgendiffraktion med liten vinkel, vilket gav in situ storleksfördelning av de skapade diamanterna." Han tillägger att kombinationen av dessa två tekniker i ett enda experiment är ett extremt kraftfullt sätt att karakterisera kemiska reaktioner under så extrema förhållanden.
Isjättar och plastflaskor
PET är samma material som används i plastflaskor, men i det här fallet användes en enkel PET-film istället för det tjockare materialet som finns i flaskor.
"Vi använde PET-plast eftersom det innehåller en blandning av lätta element som tros vara huvudbeståndsdelarna i de isiga jätteplaneterna: väte, kol, syre", säger Kraus. "Samtidigt är PET stökiometriskt en blandning av kol och vatten. Vi ville ta itu med frågan om diamantutfällning kan ske genom uppblandning av kol och väte i närvaro av syre."
Förutom att ge viktiga insikter om kemiska processer som sker på dessa avlägsna planeter, ger forskningen också ledtrådar om hur isjättar kan bilda magnetfält. Jordens magnetfält skapas av flytande järns rörelse i vår planets yttre kärna. Uranus och Neptunus har väldigt olika magnetfält, som vissa planetforskare tror genereras mycket närmare planeternas ytor av superioniskt vatten. I denna form av vatten bildar syreatomerna ett kristallgitter genom vilket vätejoner kan flöda som en vätska och därför generera magnetfält.
"Vi har inte sett direkta bevis för bildandet av superjoniskt vatten i dessa experiment eftersom trycket förmodligen var för lågt", säger Kraus. "Men den observerade avblandningen av kol och vatten pekar verkligen på bildandet av superioniskt vatten på planeter som Uranus och Neptunus."
Industriella diamanter
Forskningen kan också få viktiga konsekvenser för industriell produktion av diamanter.
"I vårt experiment nådde diamanterna storlekar på cirka 2–5 nm", säger Kraus. "Detta är bara några 100 till några 1000 kolatomer. Det är mer än 10,000 XNUMX gånger mindre än tjockleken på ett människohår. Det bör noteras att i våra experiment har diamanterna bara nanosekunder att växa. Det är därför de är så små. På planeter kommer de naturligtvis att växa sig mycket större inom miljontals år.”
Superioniska isfaser kan förklara ovanliga magnetfält runt Uranus och Neptunus
Som det ser ut, producerar metoden som används i detta experiment inte tillräckligt med nanodiamanter för att komma nära att vara en praktisk industriell process. Kraus påpekar dock att den nya tekniken är mycket renare än den nuvarande metoden att använda sprängämnen för att producera industriella nanodiamanter. Dessa explosiva processer är svåra att kontrollera och smutsiga i jämförelse med laserchockkompression av plast. Även om det är osannolikt att vi kommer att gräva ut flaskor från soptippen för att förvandla dem till diamanter i industriell skala, tror Kraus att denna process kan bli mycket effektivare än nuvarande metoder.
"För närvarande skapar vi bara några mikrogram nanodiamanter per laserskott", säger Kraus. "Men den revolutionerande ökningen av skotthastigheten för dessa lasrar borde möjliggöra produktion av makroskopiska kvantiteter."
Forskningen beskrivs i Vetenskap Förskott.
