Крижані планети-гіганти, такі як Нептун і Уран, дуже поширені в нашій галактиці. Їх внутрішнє середовище в основному складається з густої рідкої суміші води, метану та аміаку. Через екстремальні умови там випадають алмазні дощі.
У попередньому експерименті вчені змоделювали сильні температури та тиск, які спостерігалися глибоко всередині Нептун та Уранкрижані велетні. Вони вперше змогли спостерігати утворення алмазного дощу.
Нове дослідження показало, що «діамантовий дощ», екзотичний вид опадів, який давно припускали, на планетах-гігантах з льодом, може бути більш поширеним, ніж вважалося раніше. Дослідження пропонує повну картину того, як утворюється алмазний дощ на інших планетах, а тут, на Землі, може призвести до нового способу виготовлення наноалмазів, які мають широкий спектр застосувань у доставці ліків, медичних датчиках, неінвазивній хірургії, екологічному виробництві, і квантова електроніка.
Зігфрід Гланцер, директор Відділу високої щільності енергії в SLAC, сказав, «Попередню статтю ми побачили вперше алмазоутворення з будь-яких сумішей. З тих пір було проведено багато експериментів з різними чистими матеріалами. Але всередині планет все набагато складніше; у суміші набагато більше хімічних речовин. І тому ми хотіли з’ясувати, який ефект мають ці додаткові хімікати».
У попередньому експерименті вчені розглядали пластиковий матеріал, що складається з водню та вуглецю, двох основних елементів загального хімічного складу Нептуна та Урана. Але крижані гіганти також містять додаткові елементи, наприклад значні кількості кисень та вуглець, і водень.
У недавньому експерименті вчені використовували ПЕТ-пластик, щоб точніше відтворити склад цих планет.
Домінік Краус, фізик з HZDR і професор Університету Ростока, сказав: «ПЕТ має хороший баланс між вуглецем, воднем і киснем, щоб імітувати активність на крижаних планетах».
Вчені створили ударні хвилі в PET за допомогою потужного оптичного лазера на приладі Matter in Extreme Conditions (MEC) на Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC. Потім вони дослідили, що сталося з пластиком, за допомогою рентгенівських імпульсів від LCLS.
Пізніше вчені використовували дифракцію рентгенівських променів, щоб спостерігати, як атоми матеріалу перегруповуються в маленькі алмазні області. У той же час вони використовували інший метод, який називається розсіюванням під малими кутами, щоб виміряти, наскільки швидко і великими ці області росли. Цей метод допомагає їм визначити, що ці алмазні області виросли до кількох нанометрів у ширину. Вони виявили, що наноалмази можуть розвиватися при нижчих тисках і температурах, ніж зазначалося раніше, коли в речовині присутній кисень.
Краус сказав, «Вплив кисню полягав у прискоренні розщеплення вуглецю та водню, що сприяло утворенню наноалмазів. Це означало, що атоми вуглецю могли легше об’єднуватися й утворюватися діаманти».
Команда також виявила доказ того, що суперіонна вода може зустрічатися в поєднанні з алмазами. Цю нещодавно ідентифіковану фазу води, яку часто називають «гарячим чорним льодом», можна знайти при надзвичайно високих тисках і температурах.
У цих суворих умовах молекули води розпадаються, і атоми кисню організовуються в кристалічну решітку, де ядра водню можуть вільно рухатися. Суперіонна вода може проводити електричний струм завдяки електричному заряду на цих вільно плаваючих ядрах, що може допомогти пояснити, чому Уран і Нептун мають своєрідні магнітні поля.
Отримані дані також можуть вплинути на наше розуміння планет у далеких галактиках, оскільки тепер вчені вважають, що крижані гіганти є найпоширенішою формою планети за межами нашої Сонячної системи.
Вчений SLAC і співавтор Сільвія Пандольфі сказала: «Ми знаємо, що ядро Землі переважно складається із заліза, але багато експериментів все ще досліджують, як присутність легших елементів може змінити умови плавлення та фазових переходів. Наш експеримент демонструє, як ці елементи можуть змінити умови, в яких утворюються алмази на крижаних гігантах. Якщо ми хочемо точно змоделювати планети, нам потрібно максимально наблизитися до їх фактичного складу інтер'єр планети».
Дослідження також вказує на потенційний шлях для виробництва наноалмазів з недорогих ПЕТ-пластиків за допомогою лазерного ударного стиснення. Ці крихітні дорогоцінні камені зараз використовуються в абразивах і полірувальних засобах. Тим не менш, у майбутньому вони також можуть бути використані в квантових датчиках, медичних контрастних речовинах і прискорювачах реакції з відновлюваної енергії.
Вчений і співробітник SLAC Бенджамін Офорі-Окай сказав: «Сьогодні наноалмази виготовляють, беручи згусток вуглецю чи алмазу та підриваючи його за допомогою вибухівки. Це створює наноалмази різних розмірів і форм, і їх важко контролювати».
«Те, що ми бачимо в цьому експерименті, — це різна реакційна здатність того самого виду під високою температурою та тиском. У деяких випадках алмази, здається, утворюються швидше, ніж в інших, що свідчить про те, що присутність інших хімічних речовин може прискорити цей процес. Лазерне виробництво може запропонувати більш чистий і легше контрольований метод виробництва наноалмазів. Якщо ми зможемо розробити способи змінити деякі речі щодо реактивності, ми зможемо змінити, як швидко вони утворюються і, отже, наскільки великими вони стають».
Вчені планують подібні експерименти з використанням рідких зразків, що містять етанол, воду та аміак – те, з чого в основному складаються Уран і Нептун – що наблизить їх до розуміння того, як саме утворюється алмазний дощ на інших планетах.
Вчений і співробітник SLAC Ніколас Хартлі сказав, «Той факт, що ми можемо відтворити ці екстремальні умови, щоб побачити, як ці процеси відбуваються в дуже швидкому, дуже малому масштабі, захоплює. Додавання кисню наближає нас як ніколи до повної картини цих планетарних процесів, але попереду ще багато роботи. Це крок до того, щоб отримати найбільш реалістичну суміш і побачити, як ці матеріали справді поводяться на інших планетах».
Довідка з журналу:
- Zhiyu He та ін. Кінетика утворення алмазу в ударно-стиснутих зразках C─H─O, зареєстрована за допомогою малокутового рентгенівського розсіювання та рентгенівської дифракції. Наука розвивається. Том 8, Випуск 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
