Các hành tinh băng khổng lồ như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương rất phong phú trong thiên hà của chúng ta. Nội thất của chúng chủ yếu bao gồm một hỗn hợp chất lỏng dày đặc của nước, metan và amoniac. Do điều kiện khắc nghiệt, có mưa kim cương.
Trong một thí nghiệm trước đó, các nhà khoa học đã mô phỏng nhiệt độ khắc nghiệt và áp suất được tìm thấy sâu bên trong Neptune và U ran nơngười khổng lồ băng. Lần đầu tiên họ được ngắm dạng mưa kim cương.
Một nghiên cứu mới đã phát hiện ra rằng "mưa kim cương", một loại kết tủa kỳ lạ đã được đưa ra giả thuyết từ lâu trên các hành tinh băng khổng lồ, có thể phổ biến hơn so với suy nghĩ trước đây. Nghiên cứu đưa ra một bức tranh hoàn chỉnh về cách mưa kim cương hình thành trên các hành tinh khác và ở đây trên Trái đất, có thể dẫn đến một phương pháp mới để chế tạo kim cương nano, có rất nhiều ứng dụng trong vận chuyển thuốc, cảm biến y tế, phẫu thuật không xâm lấn, sản xuất bền vững, và điện tử lượng tử.
Siegfried Glanzer, giám đốc Bộ phận Mật độ Năng lượng Cao tại LẠC, nói, “Bài báo trước đó là lần đầu tiên chúng tôi trực tiếp nhìn thấy hình thành kim cương từ bất kỳ hỗn hợp nào. Kể từ đó, đã có nhiều thí nghiệm với các vật liệu tinh khiết khác nhau. Nhưng bên trong các hành tinh, nó phức tạp hơn nhiều; nhiều hóa chất khác có trong hỗn hợp. Và vì vậy, những gì chúng tôi muốn tìm ra ở đây là những loại hóa chất bổ sung này có tác dụng gì.”
Trong một thí nghiệm trước đó, các nhà khoa học đã xem xét một vật liệu nhựa bao gồm hydro và carbon, hai nguyên tố thiết yếu trong cấu tạo hóa học tổng thể của Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương. Nhưng những người khổng lồ băng cũng bao gồm các yếu tố bổ sung, chẳng hạn như một lượng đáng kể ôxy và carbon, và hydro.
Trong một thí nghiệm gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng nhựa PET để tái tạo thành phần cấu tạo của các hành tinh này một cách chính xác hơn.
Dominik Kraus, một nhà vật lý tại HZDR và là giáo sư tại Đại học Rostock, cho biết: “PET có sự cân bằng tốt giữa carbon, hydro và oxy để mô phỏng hoạt động trong các hành tinh băng.”
Các nhà khoa học đã tạo ra sóng xung kích trong PET bằng cách sử dụng tia laser quang học công suất cao tại thiết bị Vật chất trong Điều kiện Khắc nghiệt (MEC) tại Nguồn sáng Kết hợp Linac (LCLS) của SLAC. Sau đó, họ khám phá những gì đã xảy ra trong nhựa bằng các xung tia X từ LCLS.
Sau đó, các nhà khoa học đã sử dụng nhiễu xạ tia X để quan sát các nguyên tử của vật liệu được sắp xếp lại thành các vùng kim cương nhỏ. Đồng thời, họ sử dụng một phương pháp khác gọi là tán xạ góc nhỏ để đo mức độ lớn và nhanh của những vùng đó. Phương pháp này giúp họ xác định rằng những vùng kim cương này đã phát triển rộng tới vài nanomet. Họ phát hiện ra rằng kim cương nano có thể phát triển ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn so với ghi nhận trước đây khi oxy có mặt trong chất này.
Kraus nói, “Tác dụng của oxy là đẩy nhanh quá trình phân tách carbon và hydro và do đó khuyến khích sự hình thành các kim cương nano. Điều đó có nghĩa là các nguyên tử carbon có thể kết hợp dễ dàng hơn và hình thành kim cương".
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra bằng chứng cho thấy nước mê tín có thể xuất hiện kết hợp với kim cương. Pha nước được xác định gần đây này thường được gọi là “băng đen, nóng”, có thể được tìm thấy ở áp suất và nhiệt độ cực cao.
Các phân tử nước bị phá vỡ trong những điều kiện khắc nghiệt này và các nguyên tử oxy tổ chức thành một mạng tinh thể nơi các hạt nhân hydro có thể tự do di chuyển. Nước siêu ion có thể dẫn dòng điện do điện tích trên các hạt nhân trôi nổi tự do này, điều này có thể giúp giải thích tại sao Thiên vương tinh và Hải vương tinh có từ trường đặc biệt.
Phát hiện này cũng có thể tác động đến sự hiểu biết của chúng ta về các hành tinh trong các thiên hà xa xôi vì các nhà khoa học hiện tin rằng những người khổng lồ băng là dạng hành tinh phổ biến nhất bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta.
Nhà khoa học và cộng tác viên SLAC Silvia Pandolfi cho biết, “Chúng tôi biết rằng lõi Trái đất chủ yếu được làm bằng sắt, nhưng nhiều thí nghiệm vẫn đang nghiên cứu xem sự hiện diện của các nguyên tố nhẹ hơn có thể thay đổi điều kiện nóng chảy và chuyển pha như thế nào. Thí nghiệm của chúng tôi cho thấy những nguyên tố này có thể thay đổi điều kiện hình thành kim cương trên những khối băng khổng lồ như thế nào. Nếu chúng ta muốn lập mô hình chính xác các hành tinh, chúng ta cần tiến gần nhất có thể đến thành phần thực tế của nội thất hành tinh".
Nghiên cứu cũng chỉ ra một lộ trình tiềm năng để sản xuất kim cương nano từ nhựa PET rẻ tiền bằng cách sử dụng nén sốc điều khiển bằng laser. Những viên đá quý nhỏ này hiện đang được sử dụng trong chất mài mòn và chất đánh bóng. Tuy nhiên, chúng cũng có thể được sử dụng trong cảm biến lượng tử, chất tương phản trong y học và máy gia tốc phản ứng năng lượng tái tạo trong tương lai.
Nhà khoa học và cộng tác viên của SLAC, Benjamin Ofori-Okai cho biết, “Cách chế tạo kim cương nano hiện nay là lấy một lượng carbon hoặc kim cương và cho nổ bằng chất nổ. Điều này tạo ra các viên kim cương nano có kích thước và hình dạng khác nhau và rất khó kiểm soát.”
“Những gì chúng ta thấy trong thí nghiệm này là phản ứng khác nhau của cùng một loài dưới nhiệt độ và áp suất cao. Trong một số trường hợp, kim cương dường như hình thành nhanh hơn những trường hợp khác, điều này cho thấy rằng sự hiện diện của các hóa chất khác này có thể đẩy nhanh quá trình này. Sản xuất laser có thể cung cấp một phương pháp sạch hơn và dễ kiểm soát hơn để sản xuất kim cương nano. Nếu chúng ta có thể thiết kế những cách để thay đổi một số thứ về khả năng phản ứng, thì chúng ta có thể thay đổi tốc độ hình thành của chúng và do đó chúng lớn đến mức nào.”
Các nhà khoa học đang lên kế hoạch cho các thí nghiệm tương tự bằng cách sử dụng các mẫu chất lỏng có chứa ethanol, nước và amoniac – những thứ chủ yếu được tạo nên từ Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương – sẽ giúp họ tiến gần hơn đến việc hiểu chính xác cách mưa kim cương hình thành trên các hành tinh khác.
Nhà khoa học và cộng tác viên SLAC Nicholas Hartley nói, “Thực tế là chúng ta có thể tái tạo những điều kiện khắc nghiệt này để xem các quá trình này diễn ra như thế nào ở quy mô rất nhanh, rất nhỏ thật thú vị. Thêm oxy đưa chúng ta đến gần hơn bao giờ hết để xem bức tranh đầy đủ về các quá trình hành tinh này, nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm. Đó là một bước để có được hỗn hợp thực tế nhất và xem những vật liệu này thực sự hoạt động như thế nào trên các hành tinh khác.”
Tạp chí tham khảo:
- Zhiyu He và cộng sự. Động học hình thành kim cương trong các mẫu C─H─O nén sốc được ghi lại bằng tán xạ tia X góc nhỏ và nhiễu xạ tia X. Những tiến bộ khoa học. Tập 8, Số 35. DOI: 10.1126 / sciadv.abo0617
