向塑料片发射强大的激光脉冲，为了解钻石如何在海王星和天王星等冰巨行星上形成和下雨提供了新的见解。 德国、法国和美国的研究人员进行的这项实验也可能导致在地球上制造钻石的更好的工业流程。
队员 多米尼克克劳斯 罗斯托克大学的博士解释说，该小组使用高能脉冲光学激光器将冲击压缩波驱动到 PET 塑料薄膜中。 波的压力大约是地球大气压力的一百万倍，这模拟了海王星和天王星等冰巨星表面下几千公里的条件。 冲击波只传播几纳秒，但这足以让团队使用来自 X 射线自由电子激光器的飞秒脉冲来制作冲击压缩样品内部化学过程的“电影”。
“我们使用了两种主要的诊断技术，”克劳斯说。 “X 射线衍射向我们展示了金刚石晶体结构正在形成，而小角 X 射线散射提供了 原位 生成的钻石的尺寸分布。” 他补充说，将这两种技术结合在一个实验中是一种在如此极端条件下表征化学反应的极其有效的方法。
冰巨人和塑料瓶
PET 与塑料瓶中使用的材料相同，但在这种情况下，使用的是简单的 PET 薄膜，而不是瓶子中较厚的材料。
“我们使用 PET 塑料，因为它包含轻元素的混合物，这些轻元素被认为是冰冷巨行星的主要成分：氢、碳、氧，”克劳斯说。 “同时，PET 在化学计量上是碳和水的混合物。 我们想解决钻石沉淀是否可以通过在氧气存在下碳和氢的分层而发生的问题。”
除了提供对这些遥远行星上发生的化学过程的重要见解外，该研究还提供了有关冰巨星如何形成磁场的线索。 地球磁场是由我们星球外核中液态铁的运动产生的。 天王星和海王星有非常不同的磁场，一些行星科学家认为这些磁场是由超离子水在离行星表面更近的地方产生的。 在这种形式的水中，氧原子形成晶格，氢离子可以像流体一样流过晶格，从而产生磁场。
“我们没有看到在这些实验中形成超离子水的直接证据，因为压力可能太低了，”克劳斯说。 “然而，观察到的碳和水的分层肯定表明在天王星和海王星等行星中形成了超离子水。”
工业钻石
该研究还可能对钻石的工业生产产生重要影响。
“在我们的实验中，钻石的尺寸约为 2-5 纳米，”克劳斯说。 “这只是几百到几千个碳原子。 这比人类头发的厚度小 100 多倍。 应该注意的是，在我们的实验中，钻石的生长时间只有几纳秒。 这就是为什么它们如此之小。 在行星上，它们当然会在数百万年内变得更大。”
超离子冰相可以解释天王星和海王星周围不寻常的磁场
就目前而言，该实验中使用的方法无法生产足够的纳米金刚石，无法接近实用的工业过程。 然而，克劳斯指出，新技术比目前使用炸药生产工业纳米金刚石的方法清洁得多。 与塑料的激光冲击压缩相比，这些爆炸过程难以控制且肮脏。 虽然我们不太可能从垃圾填埋场挖出瓶子，以工业规模将它们变成钻石，但克劳斯相信这个过程可能会比目前的方法更有效。
“目前，我们每次激光照射只能产生几微克的纳米金刚石，”克劳斯说。 “但这些激光器射速的革命性提高应该允许生产宏观数量。”
该研究描述于 科学进展.
