Lav nanodiamanter af flaskeplast

Hvad foregår der inde i planeter som Neptun og Uranus? For at finde ud af det, udførte et internationalt hold ledet af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), University of Rostock og Frankrigs École Polytechnique et nyt eksperiment. De affyrede en laser mod en tynd film af simpel PET-plast og undersøgte, hvad der skete, ved hjælp af intensive laserglimt. Et resultat var, at forskerne var i stand til at bekræfte deres tidligere tese om, at det virkelig regner med diamanter inde i isgiganterne i periferien af ​​vores solsystem. Og en anden var, at denne metode kunne etablere en ny måde at producere nanodiamanter på, som for eksempel er nødvendige for højfølsomme kvantesensorer. Gruppen har præsenteret sine resultater i tidsskriftet Science Advances .

Forholdene i det indre af iskolde kæmpeplaneter som Neptun og Uranus er ekstreme:Temperaturerne når flere tusinde grader celsius, og trykket er millioner af gange større end i jordens atmosfære. Ikke desto mindre kan tilstande som denne simuleres kort i laboratoriet:Kraftige laserglimt rammer en filmlignende materialeprøve, opvarmer den til 6.000 grader Celsius i et øjeblik og genererer en chokbølge, der komprimerer materialet i nogle få nanosekunder til en million gange det atmosfæriske tryk.

"Hidtil har vi brugt kulbrintefilm til den slags eksperimenter," forklarer Dominik Kraus, fysiker ved HZDR og professor ved University of Rostock. "Og vi opdagede, at dette ekstreme pres producerede bittesmå diamanter, kendt som nanodiamanter."

Ved at bruge disse film var det dog kun delvist muligt at simulere planeternes indre - fordi isgiganter ikke kun indeholder kulstof og brint, men også enorme mængder ilt. Når gruppen ledte efter passende filmmateriale, ramte gruppen et hverdagsstof:PET, den harpiks, som almindelige plastikflasker er lavet af. "PET har en god balance mellem kulstof, brint og ilt for at simulere aktiviteten i isplaneter," forklarer Kraus.

Holdet udførte sine eksperimenter på SLAC National Accelerator Laboratory i Californien, hvor Linac Coherent Light Source (LCLS), en kraftfuld, accelerator-baseret røntgenlaser ligger. De brugte den til at analysere, hvad der sker, når intensive laserglimt rammer en PET-film, ved at anvende to målemetoder på samme tid:røntgendiffraktion til at bestemme, om nanodiamanter blev produceret, og såkaldt small-angle spredning for at se, hvor hurtigt og hvor stor diamanterne voksede.

En stor hjælper:Oxygen

"Effekten af ​​ilten var at fremskynde spaltningen af ​​kulstof og brint og dermed fremme dannelsen af ​​nanodiamanter," siger Dominik Kraus, der rapporterer om resultaterne. "Det betød, at kulstofatomerne lettere kunne kombineres og danne diamanter." Dette understøtter yderligere antagelsen om, at det bogstaveligt talt regner med diamanter inde i isgiganterne. Fundene er sandsynligvis ikke kun relevante for Uranus og Neptun, men også for utallige andre planeter i vores galakse. Mens sådanne isgiganter plejede at blive betragtet som sjældenheder, synes det nu klart, at de sandsynligvis er den mest almindelige form for planet uden for solsystemet.

Holdet stødte også på hints af en anden art:I kombination med diamanterne skulle der produceres vand - men i en usædvanlig variant. "Der kan være dannet såkaldt superionisk vand," siger Kraus. "Oiltatomerne danner et krystalgitter, hvori brintkernerne bevæger sig frit rundt."

Fordi kernerne er elektrisk ladede, kan superionisk vand lede elektrisk strøm og dermed være med til at skabe isgiganternes magnetfelt. I deres eksperimenter var forskergruppen dog endnu ikke entydigt i stand til at bevise eksistensen af ​​superionisk vand i blandingen med diamanter. Dette er planlagt til at ske i tæt samarbejde med universitetet i Rostock ved det europæiske XFEL i Hamborg, verdens mest kraftfulde røntgenlaser. Der står HZDR i spidsen for det internationale brugerkonsortium HIBEF, som tilbyder ideelle betingelser for eksperimenter af denne art.

Precisionsanlæg til nanodiamanter

Ud over denne ret grundlæggende viden åbner det nye eksperiment også perspektiver for en teknisk anvendelse:Skræddersyet produktion af nanometerstore diamanter, som allerede indgår i slibe- og polermidler. I fremtiden formodes de at blive brugt som højfølsomme kvantesensorer, medicinske kontrastmidler og effektive reaktionsacceleratorer til at spalte CO₂ for eksempel. "Indtil videre er den slags diamanter primært blevet fremstillet ved at sprænge sprængstoffer," forklarer Kraus. "Ved hjælp af laserblink kan de fremstilles meget mere rent i fremtiden."

En højtydende laser affyrer ti blink i sekundet mod en PET-film, som belyses af strålen med intervaller på en tiendedel af et sekund. De således skabte nanodiamanter skyder ud af filmen og lander i en opsamlingstank fyldt med vand. Der bremses de og kan derefter filtreres og effektivt høstes. Den væsentlige fordel ved denne metode i modsætning til produktion med sprængstoffer er, at "nanodiamanterne kunne skræddersyes med hensyn til størrelse eller endda doping med andre atomer," siger Dominik Kraus. "Røntgenlaseren betyder, at vi har et laboratorieværktøj, der præcist kan kontrollere diamanternes vækst." + Udforsk yderligere

'Diamantregn' på gigantiske iskolde planeter kan være mere almindelig end tidligere antaget