Việc bắn các xung laze cực mạnh vào các mảnh nhựa đã cung cấp những hiểu biết mới về cách kim cương có thể hình thành và mưa xuống các hành tinh băng khổng lồ như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương. Thí nghiệm của các nhà nghiên cứu ở Đức, Pháp và Mỹ cũng có thể dẫn đến một quy trình công nghiệp tốt hơn để sản xuất kim cương ở đây trên Trái đất.
Thành viên của đội Dominik Kraus tại Đại học Rostock giải thích rằng nhóm đã sử dụng các tia laser quang xung năng lượng cao để truyền một sóng nén xung kích vào một màng nhựa PET. Áp suất của làn sóng gấp khoảng một triệu lần áp suất khí quyển của Trái đất, áp suất mô phỏng điều kiện vài nghìn km bên dưới bề mặt của những người khổng lồ băng như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương. Sóng xung kích chỉ di chuyển trong vài nano giây, nhưng đó là thời gian đủ để nhóm nghiên cứu sử dụng các xung femto giây từ laze điện tử tự do tia X để tạo ra “phim” về các quá trình hóa học bên trong các mẫu nén xung kích.
Kraus cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng hai kỹ thuật chẩn đoán chính. “Nhiễu xạ tia X, cho chúng ta thấy rằng các cấu trúc tinh thể kim cương đang hình thành và tán xạ tia X góc nhỏ, cung cấp tại chỗ phân bố kích thước của những viên kim cương được tạo ra.” Ông nói thêm rằng sự kết hợp của hai kỹ thuật này trong một thí nghiệm duy nhất là một cách cực kỳ hiệu quả để mô tả các phản ứng hóa học trong những điều kiện khắc nghiệt như vậy.
Người khổng lồ băng và chai nhựa
PET là vật liệu tương tự được sử dụng trong chai nhựa, nhưng trong trường hợp này, màng PET đơn giản được sử dụng thay vì vật liệu dày hơn được tìm thấy trong chai.
Kraus cho biết: “Chúng tôi sử dụng nhựa PET vì nó bao gồm hỗn hợp các nguyên tố nhẹ được cho là thành phần chính của các hành tinh khổng lồ băng giá: hydro, carbon, oxy. “Đồng thời, PET là một hỗn hợp cân bằng hóa học giữa carbon và nước. Chúng tôi muốn giải quyết câu hỏi liệu kết tủa kim cương có thể xảy ra thông qua quá trình khử cacbon và hydro với sự có mặt của oxy hay không.”
Cùng với việc cung cấp những hiểu biết quan trọng về các quá trình hóa học xảy ra trên các hành tinh xa xôi này, nghiên cứu cũng cung cấp manh mối về cách những người khổng lồ băng có thể hình thành từ trường. Từ trường của Trái đất được tạo ra bởi chuyển động của sắt lỏng trong lõi ngoài của hành tinh chúng ta. Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có từ trường rất khác nhau, mà một số nhà khoa học hành tinh tin rằng được tạo ra gần bề mặt của các hành tinh hơn nhiều bởi nước mê tín. Ở dạng nước này, các nguyên tử oxy tạo thành một mạng tinh thể mà qua đó các ion hydro có thể chảy giống như chất lỏng và do đó tạo ra từ trường.
Kraus cho biết: “Chúng tôi chưa thấy bằng chứng trực tiếp về sự hình thành nước mê tín trong các thí nghiệm này vì áp suất có lẽ quá thấp. “Tuy nhiên, sự pha trộn quan sát được giữa carbon và nước chắc chắn chỉ ra sự hình thành nước siêu âm trong các hành tinh như Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.”
Kim cương công nghiệp
Nghiên cứu cũng có thể có ý nghĩa quan trọng đối với việc sản xuất kim cương công nghiệp.
Kraus cho biết: “Trong thí nghiệm của chúng tôi, những viên kim cương đạt kích thước khoảng 2–5 nm. “Đây chỉ là một vài 100 đến vài 1000 nguyên tử carbon. Nó nhỏ hơn 10,000 lần so với độ dày của một sợi tóc người. Cần lưu ý rằng trong các thí nghiệm của chúng tôi, kim cương chỉ có nano giây để phát triển. Đây là lý do tại sao chúng rất nhỏ. Ở các hành tinh, tất nhiên chúng sẽ phát triển lớn hơn nhiều trong vòng hàng triệu năm nữa.”
Các pha băng siêu âm có thể giải thích từ trường bất thường xung quanh Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương
Như hiện tại, phương pháp được sử dụng trong thí nghiệm này không tạo ra đủ kim cương nano để tiến gần đến việc trở thành một quy trình công nghiệp thực tế. Tuy nhiên, Kraus chỉ ra rằng kỹ thuật mới sạch hơn nhiều so với phương pháp sử dụng chất nổ hiện tại để sản xuất kim cương nano công nghiệp. Các quá trình nổ này rất khó kiểm soát và bẩn so với quá trình nén nhựa bằng tia laze. Mặc dù chúng ta khó có thể đào chai ra khỏi bãi rác để biến chúng thành kim cương ở quy mô công nghiệp, nhưng Kraus tin rằng quy trình này có thể trở nên hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp hiện tại.
Kraus cho biết: “Hiện tại, chúng tôi chỉ tạo ra một vài microgam kim cương nano cho mỗi lần bắn laze. “Nhưng sự gia tăng mang tính cách mạng về tốc độ bắn của những tia laser đó sẽ cho phép sản xuất số lượng lớn.”
Nghiên cứu được mô tả trong Những tiến bộ khoa học.
