Wissenschaftler verwendeten Laser, um Kunststoff in winzige Diamanten umzuwandeln

Ist es eine neue Form des Recyclings oder ein Wunschtraum?

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Man sagt, der Müll des einen ist der Schatz des anderen.

Nun ist es einem internationalen Team von Wissenschaftlern gelungen, diese Aussage in die Tat umzusetzen, indem es billiges Polyethylenterephthalat (PET)-Kunststoff in Nanodiamanten verwandelt – synthetische, mikroskopisch kleine Diamanten.

„Innerhalb von Nanosekunden werden […] 10 Prozent aller Kohlenstoffatome in dieser Kunststoffprobe in sehr kleine Diamanten umgewandelt“, sagt Dominik Kraus, Co-Autor der Studie und Professor am Physikalischen Institut der Universität Rostock, gegenüber Treehugger. „Und diese sehr kleinen Nanodiamanten können – oder bereits in irgendeiner Form, aber vielleicht sogar noch mehr in der Zukunft – sehr interessante technische Anwendungen haben.“

Die im Herbst 2022 in Science Advances veröffentlichte Transformation sei eine kleine Überraschung gewesen, sagt Kraus. Das liegt daran, dass das Forschungsteam – vom SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums in Kalifornien, dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), der Universität Rostock in Deutschland und der École Polytechnique in Frankreich – nicht versucht hat, irdische Verwendungsmöglichkeiten für Plastik zu finden. sondern vielmehr die Chemie anderer Planeten verstehen.

„Ursprünglich ging es darum, ein besseres Bild davon zu bekommen, welche Chemie im Inneren von Riesenplaneten wie Neptun und Uranus abläuft“, sagt Kraus.

Dies ist wichtig für das Verständnis des Universums als Ganzes, da Wissenschaftler davon ausgehen, dass Eisriesen der häufigste Planetentyp außerhalb unseres Sonnensystems sind. Auf elementarer Ebene bestehen diese Planeten hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff mit etwas Stickstoff, sagt Kraus. Es ist jedoch die Art und Weise, wie diese Elemente unter extremen Planetenbedingungen interagieren, die Wissenschaftler wirklich fasziniert. Es ist möglich, dass die Bedingungen auf diesen Planeten eine besondere Art von Wasser erzeugen, das als superionisches Wasser bezeichnet wird. Sie könnten auch dazu führen, dass Diamanten als Regen fallen.

Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory

Was ist superionisches Wasser? „Superionisches Wasser ist eine vorhergesagte Form von Wasser, bei der die Sauerstoffatome ein Kristallgitter bilden und die Wasserstoffkerne sich dann einigermaßen frei durch dieses Sauerstoffgitter bewegen können“, sagt Kraus.

Das Vorhandensein dieses superionischen Wassers könnte die einzigartigen Magnetfelder erklären, von denen Wissenschaftler glauben, dass sie auf diesen Planeten existieren, schrieben die Autoren der Studie.

Um herauszufinden, was auf diesen Planeten passieren könnte, müssen Wissenschaftler ihre extremen Bedingungen – mit Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius und einem millionenfach höheren Atmosphärendruck als auf der Erde – irgendwie im Labor nachbilden. Dazu bestrahlen sie ein filmartiges Material mit einem Hochleistungslaser, der den Film auf 6.000 Grad Fahrenheit erhitzen kann und so eine Stoßwelle erzeugt, die den Druck auf das Material vervielfacht. Anschließend verwenden sie den speziellen beschleunigerbasierten Röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS), der sich im SLAC National Accelerator Laboratory befindet, um zu untersuchen, was passiert, wenn die Laserblitze auf den Film treffen.

Frühere Experimente mit der Sprengung von Polystyrol – einem Kunststoff aus Wasserstoff und Kohlenstoff – hatten zu Beweisen geführt, dass sich auf diesen Planeten tatsächlich Diamantniederschläge bilden könnten. Allerdings gibt es auf diesen Planeten auch viel Wasser, und Wissenschaftler gehen davon aus, dass bei der Trennung von Kohlenstoff und Wasser wahrscheinlich superionisches Wasser entsteht.

Deshalb haben sie sich für PET entschieden, das die chemische Formel C10H8O4 hat. Es war dieses Experiment, das die Nanodiamanten hervorbrachte – und den wissenschaftlichen Beweis stützte, dass Eisriesen sowohl Diamantregen als auch superionisches Wasser sehen könnten.

„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“, sagt SLAC-Wissenschaftlerin und Co-Autorin der Studie Silvia Pandolfi in einer Pressemitteilung des SLAC . „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.“

Blaurock / HZDR

Obwohl dies nicht die Absicht des Experiments war, glauben die Forscher, dass sie möglicherweise eine neue Methode zur Herstellung von Nanodiamanten aus billigem Material entwickelt haben.

„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 jagen“, sagt der SLAC-Wissenschaftler und Co-Autor der Studie, Benjamin Ofori-Okai, in der Pressemitteilung. „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.

Laut Kraus ist es unwahrscheinlich, dass das Verfahren als Lösung für die Plastikverschmutzung ausgeweitet wird, aber es könnte einigen Plastikartikeln dennoch ein nützliches zweites Leben geben. Laut SLAC werden Nanodiamanten derzeit in Schleif- und Poliermitteln verwendet. Zu den potenziellen zukünftigen Anwendungen gehören laut HZDR jedoch Quantensensoren, Kontrastmittel für medizinische Zwecke und Beschleuniger für chemische Reaktionen, einschließlich der Spaltung von Kohlendioxid.

Kraus glaubt insbesondere, dass Nanodiamanten bei der Photokatalyse von Kohlendioxid helfen könnten – einem Prozess, bei dem Licht verwendet wird, um das Treibhausgas in Wasserstoff oder Methan umzuwandeln.

„Sie lassen zum Beispiel Wasser mit diesen Nanodiamanten treiben, strahlen Sonnenlicht darauf und bringen dann Kohlendioxid durch diese Wasserregion“, erklärt Kraus.

Einige Wissenschaftler haben argumentiert, dass ein solches Recycling von Kohlendioxid eine Klimalösung sein könnte, indem es eine nachhaltigere Methanquelle erzeugt, die nicht die Gewinnung zusätzlicher fossiler Brennstoffe aus dem Erdboden erfordert. Matteo Pasquali, AJ Hartsook-Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik, Chemie sowie Materialwissenschaft und Nanoingenieurwesen an der Rice University, stellt diese Behauptungen jedoch infrage.

„Vom Menschen verursachte Kohlendioxidemissionen sind die Ursache des Klimawandels und können nicht die Lösung sein“, sagt er gegenüber Treehugger. „Wir stoßen Kohlendioxid aus, weil es entsteht, wenn wir Kohle, Öl und Gas (Methan) verbrennen, um Energie zu erzeugen. Natürlich braucht es mehr Energie, um CO2 in Methan (oder Öl oder Gas) umzuwandeln, als die gewonnene Energie aus dem Methan. Dies ist technologieunabhängig und liegt im ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begründet, die beispielsweise besagen, dass man in einem zyklischen Prozess keine Energie erzeugen kann und dass für den Ablauf zyklischer Prozesse externe Energiezufuhr erforderlich ist.“

Er glaubt, dass es in einer Zukunft, in der es den politischen Entscheidungsträgern gelungen ist, die Treibhausgasemissionen auf Null zu reduzieren, möglich sein könnte, erneuerbare Energien zu nutzen, um Kohlendioxid in Kohlenstoff umzuwandeln, aber er glaubt auch, dass natürliche Systeme überschüssigen atmosphärischen Kohlenstoff erfolgreich entfernen würden, wenn die Menschen einfach aufhören würden zu verbrennen fossile Brennstoffe.

Er glaubt auch nicht, dass Nanodiamanten beim Kohlendioxid-Recycling helfen würden.

Obwohl es unwahrscheinlich erscheint, dass der Einsatz von Lasern zur Umwandlung von Plastikflaschen in winzige Diamanten Teil der Lösung für die großen Umweltkrisen unseres Planeten sein wird, erinnert es dennoch an die glücklichen Zufälle, die der wissenschaftliche Prozess mit sich bringt. Kraus sagt, ein besonders „lustiger“ Aspekt der Ergebnisse sei, dass die astrophysikalische Forschung zu möglichen irdischen Anwendungen geführt habe. Für ihn ist es eine Erinnerung daran, dass es in der Wissenschaft nicht nur um die Lösung von Problemen gehen muss. Manchmal kann das Stellen von Fragen aus Neugier zu Lösungen führen, nach denen Sie gar nicht gesucht haben.

„Neugiergetriebene Forschung ist ebenfalls sehr wichtig und es gibt viele Beispiele dafür, wie sie unsere Welt verändert hat“, sagt er.

Als nächstes hofft Kraus, mehr darüber zu erfahren, was auf den Eisriesen passiert, und Wege zu finden, mehr Nanodiamanten zu produzieren.

Er, Zhiyu, et. al. „Diamantbildungskinetik in schockkomprimierten C─H─O-Proben, aufgezeichnet durch Kleinwinkel-Röntgenstreuung und Röntgenbeugung.“ Science Advances, Bd. 8, nein. 35, 2. September 2022, DOI:10.1126/sciadv.abo0617

Kraus, D., et al. Bildung von Diamanten in laserkomprimierten Kohlenwasserstoffen unter Bedingungen im Inneren des Planeten. Nat Astron, Bd. 1, S. 606–611, 2017., doi:10.1038/s41550-017-0219-9

Sundermier, Ali. „‚Diamantenregen‘ auf riesigen Eisplaneten könnte häufiger vorkommen als bisher angenommen.“ SLAC National Accelerator Laboratory.

„Nanodiamanten aus Flaschenplastik herstellen.“ Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf.

Ulmer, Ulrich et al. Grundlagen und Anwendungen der photokatalytischen CO2-Methanisierung. Nat Commun, vol. 10, nein. 3169 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-10996-2