Cercetătorii au reușit să obțină nanodiamante din sticle de plastic

Ce se întâmplă în interiorul planetelor precum Neptun și Uranus? Și ce legătură au aceste planete cu obținerea unor nanodiamante din sticle de plastic?

Pentru a afla răspunsul la prima întrebare, o echipă internațională condusă de institutul Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) și Universitatea din Rostock, ambele din Germania, și École Polytechnique, din Franța, a efectuat un experiment nou.

• Boala Parkinson începe mai devreme decât credeau până acum cercetătorii
• O explozie solară masivă a găurit câmpul magnetic al Pământului și a provocat aurore roșii

Cercetătorii au bombardat cu laser o peliculă subțire de plastic PET simplu și au investigat ce s-a întâmplat, folosind impulsuri laser intense.

Nanodiamante din sticle de plastic

Un rezultat a fost că cercetătorii au putut să confirme teza lor anterioară că într-adevăr plouă diamante în interiorul giganților de gheață de la periferia sistemului nostru solar.

Un alt rezultat a fost că această metodă ar putea stabili o nouă modalitate de a produce nanodiamante din sticle de plastic, care sunt necesare, de exemplu, pentru senzorii cuantici foarte sensibili.

Grupul și-a prezentat concluziile în revista Science Advances.

Condițiile de pe alte planete, simulate în laborator

Condițiile din interiorul planetelor gigantice de gheață precum Neptun și Uranus sunt extreme: temperaturile ajung la câteva mii de grade Celsius, iar presiunea este de milioane de ori mai mare decât în atmosfera Pământului.

Cu toate acestea, astfel de stări pot fi simulate pe perioade scurte de timp în laborator: impulsuri puternice de laser lovesc un eșantion de material asemănător unui film, îl încălzesc până la 6.000 de grade Celsius pentru o fracțiune de secundă și generează o undă de șoc care comprimă materialul timp de câteva nanosecunde la o presiune de un milion de ori mai mare decât a atmosferei Pământului.

„Până acum, am folosit filme de hidrocarburi pentru acest tip de experiment. Și am descoperit că această presiune extremă a produs diamante minuscule, cunoscute sub numele de nanodiamante”, explică Dominik Kraus, fizician la HZDR și profesor la Universitatea din Rostock.

Totuși, folosind aceste filme, a fost posibil doar parțial să se simuleze interiorul planetelor, deoarece giganții de gheață nu conțin doar carbon și hidrogen, ci și cantități mari de oxigen. Atunci când căutau materialul potrivit pentru film, grupul a dat peste o substanță de zi cu zi: PET, rășina din care sunt făcute sticlele obișnuite de plastic.

Cum au fost obținute nanodiamante din sticle de plastic?

„PET are un echilibru bun între carbon, hidrogen și oxigen pentru a simula activitatea pe planetele de gheață”, explică Kraus.

Echipa și-a efectuat experimentele la Laboratorul Național de Accelerator SLAC din California, locația Linac Coherent Light Source (LCLS), un laser cu raze X puternic, bazat pe accelerator.

Oamenii de știință au folosit acest laser pentru a analiza ce se întâmplă atunci când impulsurile laser intense lovesc un film PET, folosind două metode de măsurare în același timp: difracția cu raze X pentru a determina dacă au fost produse nanodiamante din sticle de plastic și așa-numita împrăștiere cu unghi mic pentru a vedea cât de repede și cât de mari au crescut diamantele.

„Efectul oxigenului a fost de a accelera scindarea carbonului și a hidrogenului și, astfel, de a încuraja formarea nanodiamantelor. A însemnat că atomii de carbon se puteau combina mai ușor pentru a forma diamante”, spune Dominik Kraus.

Ploile cu diamante, mult mai comune decât se credea

Rezultatul susține și mai mult presupunerea că plouă literalmente cu diamante în interiorul giganților de gheață. Descoperirile sunt probabil relevante nu doar pentru Uranus și Neptun, ci și pentru nenumărate alte planete din galaxia noastră. În timp ce astfel de giganți de gheață erau considerați rarități, acum pare clar că sunt probabil cea mai comună formă de planetă în afara Sistemului Solar, scrie Tech Xplore.

Echipa a întâlnit, de asemenea, indicii de alt fel: în combinație cu diamantele, ar trebui să fie produsă apă, dar într-o variantă neobișnuită.

„Este posibil să se fi format așa-numita apă superionică. Atomii de oxigen formează o rețea cristalină în care nucleii de hidrogen se mișcă liber”, spune cercetătorul.

Deoarece nucleele sunt încărcate electric, apa superionică poate conduce curentul electric și astfel poate ajuta la crearea câmpului magnetic al giganților de gheață.

În experimentele lor, grupul de cercetare nu a reușit încă să demonstreze fără echivoc existența apei superionice în amestec cu diamantele. Acest lucru este planificat să se întâmple în strânsă colaborare cu Universitatea din Rostock la European XFEL din Hamburg, cel mai puternic laser cu raze X din lume. Acolo, HZDR conduce consorțiul internațional de utilizatori HIBEF, care oferă condiții ideale pentru experimente de acest gen.

La ce pot fi folosite acest nanodiamante?

Pe lângă aceste cunoștințe destul de fundamentale, noul experiment deschide și perspective pentru o aplicație tehnică: producția personalizată de diamante de dimensiuni nanometrice, care sunt deja incluse în abrazivi și agenți de lustruire.

În viitor, se presupune că aceștia vor fi utilizați ca senzori cuantici extrem de sensibili, agenți de contrast medical și acceleratori de reacție eficienți, pentru divizarea CO2, de exemplu.

„Până acum, diamantele de acest fel au fost produse în principal prin detonarea explozibililor. Cu ajutorul impulsurilor laser, acestea ar putea fi fabricate mult mai curat în viitor”, explică Kraus.

Un avantaj clar

Un laser de înaltă performanță declanșează zece impulsuri pe secundă către o peliculă PET, care este iluminată de fascicul la intervale de o zecime de secundă. Nanodiamantele astfel create ies din film și aterizează într-un rezervor de colectare umplut cu apă.

Acolo sunt decelerate și apoi pot fi filtrate și recoltate eficient. Avantajul esențial al acestei metode, spre deosebire de producția cu explozivi, este că „nanodiamantele ar putea fi tăiate personalizat în funcție de dimensiune sau chiar dopate cu alți atomi”, spune Dominik Kraus.

„Laserul cu raze X înseamnă că avem un instrument de laborator care poate controla cu precizie creșterea diamantelor”, a concluzionat cercetătorul.

Vă recomandăm să citiți și:

Roverul Perseverance, vrăjit de „Lacul Fermecat” de pe Marte

Perseverance a colectat primele mostre de rocă marțiană care ar putea fi returnate pe Pământ

Ce se află la bordul rachetei SLS pentru misiunea Artemis I?

Bule în spațiu, ideea surprinzătoare care ar putea încetini schimbările climatice