„Diamantregen“ auf riesigen Eisplaneten könnte häufiger vorkommen als bisher angenommen

Forscher am SLAC fanden heraus, dass Sauerstoff diesen exotischen Niederschlag verstärkt, und zeigten damit einen neuen Weg zur Herstellung von Nanodiamanten hier auf der Erde auf.

Von Ali Sundermier

Eine neue Studie hat herausgefunden, dass „Diamantregen“, eine seit langem vermutete exotische Art von Niederschlag auf Eisriesenplaneten, häufiger vorkommen könnte als bisher angenommen.

In einem früheren Experiment ahmten Forscher die extremen Temperaturen und Drücke tief im Inneren der Eisriesen Neptun und Uranus nach und beobachteten zum ersten Mal die Entstehung von Diamantregen.

Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und ihre Kollegen untersuchten diesen Prozess in einem neuen Material, das der chemischen Zusammensetzung von Neptun und Uranus ähnlicher ist, und stellten fest, dass die Anwesenheit von Sauerstoff die Bildung von Diamanten wahrscheinlicher macht und es ihnen ermöglicht, sich zu bilden und zu wachsen unter einem breiteren Spektrum von Bedingungen und auf mehr Planeten.

Die neue Studie liefert ein umfassenderes Bild davon, wie Diamantregen auf anderen Planeten entsteht und könnte hier auf der Erde zu einer neuen Art der Herstellung von Nanodiamanten führen, die ein sehr breites Anwendungsspektrum in der Medikamentenabgabe, medizinischen Sensoren, nichtinvasiven Chirurgie usw. haben. nachhaltige Fertigung und Quantenelektronik.

„In der früheren Arbeit konnten wir zum ersten Mal direkt die Bildung von Diamanten aus Mischungen beobachten“, sagte Siegfried Glenzer, Direktor der Abteilung für hohe Energiedichte am SLAC. „Seitdem gab es ziemlich viele Experimente mit verschiedenen reinen Materialien. Aber im Inneren von Planeten ist es viel komplizierter; es sind viel mehr Chemikalien in der Mischung. Und deshalb wollten wir hier herausfinden, um welche Art es sich handelt.“ Wirkung dieser zusätzlichen Chemikalien haben.

Das Team unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Rostock in Deutschland sowie der französischen École Polytechnique in Zusammenarbeit mit SLAC veröffentlichte die Ergebnisse heute in Science Advances.

Im vorherigen Experiment untersuchten die Forscher ein Kunststoffmaterial, das aus einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoff besteht, den Schlüsselkomponenten der gesamten chemischen Zusammensetzung von Neptun und Uranus. Doch neben Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten Eisriesen noch weitere Elemente, etwa große Mengen Sauerstoff.

In dem neueren Experiment verwendeten die Forscher PET-Kunststoff – der oft in Lebensmittelverpackungen, Plastikflaschen und Behältern verwendet wird –, um die Zusammensetzung dieser Planeten genauer nachzubilden.

„PET hat ein gutes Gleichgewicht zwischen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, um die Aktivität in Eisplaneten zu simulieren“, sagt Dominik Kraus, Physiker am HZDR und Professor an der Universität Rostock.

Die Forscher verwendeten einen leistungsstarken optischen Laser am Matter in Extreme Conditions (MEC)-Instrument an der Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC, um Stoßwellen im PET zu erzeugen. Anschließend untersuchten sie mit Röntgenimpulsen von LCLS, was im Kunststoff passierte.

Mit einer Methode namens Röntgenbeugung beobachteten sie, wie sich die Atome des Materials zu kleinen Diamantregionen neu anordneten. Gleichzeitig verwendeten sie eine andere Methode namens Kleinwinkelstreuung, die in der ersten Arbeit nicht verwendet worden war, um zu messen, wie schnell und groß diese Regionen wuchsen. Mit dieser zusätzlichen Methode konnten sie feststellen, dass diese Diamantregionen eine Breite von bis zu einigen Nanometern erreichten. Sie fanden heraus, dass die Nanodiamanten bei Anwesenheit von Sauerstoff im Material bei niedrigeren Drücken und Temperaturen wachsen konnten als bisher beobachtet.

„Die Wirkung des Sauerstoffs bestand darin, die Spaltung von Kohlenstoff und Wasserstoff zu beschleunigen und so die Bildung von Nanodiamanten zu fördern“, sagte Kraus. „Das bedeutete, dass sich die Kohlenstoffatome leichter verbinden und Diamanten bilden konnten.“

Die Forscher sagen voraus, dass Diamanten auf Neptun und Uranus viel größer werden würden als die in diesen Experimenten hergestellten Nanodiamanten – vielleicht Millionen Karat schwer. Im Laufe der Jahrtausende könnten die Diamanten langsam durch die Eisschichten der Planeten sinken und sich zu einer dicken Bling-Schicht um den festen Planetenkern ansammeln.

Das Team fand außerdem Hinweise darauf, dass sich in Kombination mit den Diamanten auch superionisches Wasser bilden könnte. Diese kürzlich entdeckte Wasserphase, die oft als „heißes, schwarzes Eis“ beschrieben wird, existiert bei extrem hohen Temperaturen und Drücken. Unter diesen extremen Bedingungen brechen Wassermoleküle auseinander und Sauerstoffatome bilden ein Kristallgitter, in dem die Wasserstoffkerne frei schweben. Da diese frei schwebenden Kerne elektrisch geladen sind, kann superionisches Wasser elektrischen Strom leiten und könnte die ungewöhnlichen Magnetfelder auf Uranus und Neptun erklären.

Die Ergebnisse könnten sich auch auf unser Verständnis von Planeten in fernen Galaxien auswirken, da Wissenschaftler mittlerweile davon ausgehen, dass Eisriesen die häufigste Planetenform außerhalb unseres Sonnensystems sind.

„Wir wissen, dass der Erdkern überwiegend aus Eisen besteht, aber viele Experimente untersuchen immer noch, wie das Vorhandensein leichterer Elemente die Bedingungen des Schmelzens und der Phasenübergänge verändern kann“, sagte SLAC-Wissenschaftlerin und Mitarbeiterin Silvia Pandolfi. „Unser Experiment zeigt, wie diese Elemente die Bedingungen verändern können, unter denen sich Diamanten auf Eisriesen bilden. Wenn wir Planeten genau modellieren wollen, müssen wir der tatsächlichen Zusammensetzung des Planeteninneren so nahe wie möglich kommen.“

Die Forschung weist auch auf einen möglichen Weg für die Herstellung von Nanodiamanten durch lasergesteuerte Stoßkompression von billigen PET-Kunststoffen hin. Während diese winzigen Edelsteine ​​bereits in Schleif- und Poliermitteln enthalten sind, könnten sie in Zukunft möglicherweise für Quantensensoren, medizinische Kontrastmittel und Reaktionsbeschleuniger für erneuerbare Energien verwendet werden.

„Die Art und Weise, wie Nanodiamanten derzeit hergestellt werden, besteht darin, ein Bündel Kohlenstoff oder Diamanten zu nehmen und es mit Sprengstoff in die Luft zu sprengen“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Benjamin Ofori-Okai. „Dadurch entstehen Nanodiamanten unterschiedlicher Größe und Form und sind schwer zu kontrollieren. Was wir in diesem Experiment sehen, ist eine unterschiedliche Reaktivität derselben Spezies unter hoher Temperatur und hohem Druck. In einigen Fällen scheinen sich die Diamanten schneller zu bilden als andere.“ , was darauf hindeutet, dass die Anwesenheit dieser anderen Chemikalien diesen Prozess beschleunigen kann. Die Laserproduktion könnte eine sauberere und leichter kontrollierbare Methode zur Herstellung von Nanodiamanten bieten. Wenn wir Wege entwickeln können, um einige Dinge an der Reaktivität zu ändern, können wir ändern, wie schnell sie sind Form und damit wie groß sie werden.

Als nächstes planen die Forscher ähnliche Experimente mit flüssigen Proben, die Ethanol, Wasser und Ammoniak enthalten – woraus Uranus und Neptun größtenteils bestehen –, um dem Verständnis der genauen Entstehung von Diamantregen auf anderen Planeten noch näher zu kommen.

„Die Tatsache, dass wir diese extremen Bedingungen nachbilden können, um zu sehen, wie sich diese Prozesse in sehr schnellen, sehr kleinen Maßstäben abspielen, ist aufregend“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Nicholas Hartley. „Durch die Zugabe von Sauerstoff kommen wir dem vollständigen Bild dieser planetarischen Prozesse näher als je zuvor, aber es gibt noch viel zu tun. Es ist ein Schritt auf dem Weg zu einer möglichst realistischen Mischung und zu sehen, wie sich diese Materialien auf anderen Planeten wirklich verhalten.“ "

Die Forschung wurde vom Office of Science des DOE und der National Nuclear Security Administration unterstützt. LCLS ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.

Teile dieses Artikels wurden einer Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf entnommen.

Zitat:Zhiyu He et al., Science Advances, 2. September 2022 (10.1126/sciadv.abo0617)

Kontakt zur Pressestelle:Manuel Gnida, [email protected]

SLAC ist ein dynamisches Multiprogrammlabor, das erforscht, wie das Universum im größten, kleinsten und schnellsten Maßstab funktioniert, und leistungsstarke Werkzeuge erfindet, die von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt verwendet werden. Mit unserer Forschung in den Bereichen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie, Materialien, Chemie, Bio- und Energiewissenschaften sowie wissenschaftliches Rechnen tragen wir dazu bei, reale Probleme zu lösen und die Interessen der Nation voranzutreiben.

SLAC wird von der Stanford University für das Office of Science des US-Energieministeriums betrieben. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit.

Die Ergebnisse bieten wichtige Implikationen für die Astrophysik und die Kernfusionsforschung.

Ein Laser, der einen Aluminiumkristall komprimiert, ermöglicht einen klareren Blick auf die plastische Verformung eines Materials, was möglicherweise zur Entwicklung einer stärkeren Kernfusion führt ...

Die Ergebnisse bieten wichtige Implikationen für die Astrophysik und die Kernfusionsforschung.

Ein Laser, der einen Aluminiumkristall komprimiert, ermöglicht einen klareren Blick auf die plastische Verformung eines Materials, was möglicherweise zur Entwicklung einer stärkeren Kernfusion führt ...

Die Forschung könnte zu einem besseren Verständnis extremer astrophysikalischer Umgebungen und zur Entwicklung kompakter hochenergetischer Strahlungsquellen für die Wissenschaft führen.

Von der unsichtbaren Welt der Elementarteilchen bis zu den Geheimnissen des Kosmos erforschen die Empfänger dieser prestigeträchtigen Auszeichnung für Nachwuchswissenschaftler die Natur ...

Edward Hohenstein, Emma McBride und Caterina Vernieri untersuchen, was mit Molekülen passiert, die vom Licht getroffen werden, und stellen extreme Materiezustände wie im Inneren von Sternen nach ...