IJsreuzenplaneten zoals Neptunus en Uranus zijn zeer overvloedig aanwezig in ons melkwegstelsel. Hun interieur bestaat voornamelijk uit een dicht vloeibaar mengsel van water, methaan en ammoniak. Door extreme omstandigheden regent het diamant.

In een eerder experiment simuleerden wetenschappers de extreme temperaturen en drukken die diep van binnen werden gevonden Neptunus en Uranusde ijsreuzen. Voor het eerst konden ze diamanten regen zien ontstaan.

Een nieuwe studie heeft uitgewezen dat 'diamantregen', een lang veronderstelde exotische vorm van neerslag op ijsreuzenplaneten, vaker voorkomt dan eerder werd gedacht. De studie biedt een compleet beeld van hoe diamantregen zich vormt op andere planeten en zou hier op aarde kunnen leiden tot een nieuwe manier om nanodiamanten te fabriceren, die een breed scala aan toepassingen hebben in medicijnafgifte, medische sensoren, niet-invasieve chirurgie, duurzame productie, en kwantumelektronica.

Siegfried Glanzer, directeur van de High Energy Density Division bij SLAK, zei, “De eerdere krant was de eerste keer dat we het direct zagen diamant vorming van alle mengsels. Sindsdien is er veel geëxperimenteerd met verschillende pure materialen. Maar binnen planeten is het veel gecompliceerder; er zitten veel meer chemicaliën in de mix. En dus wilden we hier uitzoeken wat voor soort effect deze extra chemicaliën hebben.

In een eerder experiment keken wetenschappers naar een plastic materiaal bestaande uit waterstof en koolstof, twee essentiële elementen van de algehele chemische samenstelling van Neptunus en Uranus. Maar ijsreuzen bevatten ook extra elementen, zoals aanzienlijke hoeveelheden zuurstof en carbon, en waterstof.

In een recent experiment gebruikten wetenschappers PET-plastic om de samenstelling van deze planeten nauwkeuriger te reproduceren.

Dominik Kraus, een natuurkundige bij HZDR en professor aan de Universiteit van Rostock, zei: "PET heeft een goede balans tussen koolstof, waterstof en zuurstof om de activiteit op ijsplaneten te simuleren."

Wetenschappers creëerden schokgolven in de PET met behulp van een krachtige optische laser bij het Matter in Extreme Conditions (MEC) -instrument bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS). Vervolgens onderzochten ze wat er in het plastic gebeurde met röntgenpulsen van LCLS. 

Wetenschappers gebruikten later röntgendiffractie om te zien hoe de atomen van het materiaal zich herschikten in kleine diamantgebieden. Tegelijkertijd gebruikten ze een andere methode, kleine hoekverstrooiing genaamd, om te meten hoe snel en groot die regio's groeiden. Deze methode helpt hen te bepalen dat deze diamantgebieden tot enkele nanometers breed zijn geworden. Ze ontdekten dat nanodiamanten zich konden ontwikkelen bij lagere drukken en temperaturen dan eerder werd opgemerkt wanneer er zuurstof in de stof aanwezig was.

Kraus zei, “Het effect van de zuurstof was om de splitsing van de koolstof en waterstof te versnellen en zo de vorming van nanodiamanten te stimuleren. Het betekende dat de koolstofatomen gemakkelijker konden combineren en vormen ruiten. '

Het team ontdekte ook bewijs dat superionisch water zou kunnen voorkomen in combinatie met diamanten. Deze recent geïdentificeerde waterfase, vaak aangeduid als "heet, zwart ijs", kan worden aangetroffen bij buitengewoon hoge drukken en temperaturen. 

Watermoleculen breken onder deze zware omstandigheden en zuurstofatomen organiseren zich tot een kristalrooster waar waterstofkernen vrij kunnen bewegen. Superionisch water kan elektrische stroom geleiden vanwege de elektrische lading op deze vrij zwevende kernen, wat kan helpen verklaren waarom Uranus en Neptunus eigenaardige magnetische velden hebben.

De bevindingen kunnen ook van invloed zijn op ons begrip van planeten in verre sterrenstelsels, aangezien wetenschappers nu geloven dat ijsreuzen de meest voorkomende vorm van een planeet zijn buiten ons zonnestelsel.

SLAC-wetenschapper en medewerker Silvia Pandolfi zei: “We weten dat de kern van de aarde voornamelijk uit ijzer bestaat, maar veel experimenten onderzoeken nog steeds hoe de aanwezigheid van lichtere elementen de omstandigheden van smelten en faseovergangen kan veranderen. Ons experiment laat zien hoe deze elementen de omstandigheden kunnen veranderen die diamanten vormen op ijsreuzen. Als we planeten nauwkeurig willen modelleren, moeten we zo dicht mogelijk bij de feitelijke samenstelling van de planeet komen planetair interieur. '

De studie wijst ook op een mogelijke route voor het vervaardigen van nanodiamanten uit goedkope PET-kunststoffen met behulp van lasergestuurde schokcompressie. Deze kleine edelstenen worden momenteel gebruikt in schuurmiddelen en polijstmiddelen. Toch kunnen ze in de toekomst ook worden gebruikt in kwantumsensoren, medicinale contrastmiddelen en reactieversnellers voor hernieuwbare energie.

SLAC-wetenschapper en medewerker Benjamin Ofori-Okai zei: "De manier waarop nanodiamanten momenteel worden gemaakt, is door een bos koolstof of diamant te nemen en deze op te blazen met explosieven. Dit creëert nanodiamanten van verschillende groottes en vormen en is moeilijk te controleren.”

“Wat we in dit experiment zien, is een verschillende reactiviteit van dezelfde soort onder hoge temperatuur en druk. In sommige gevallen lijken de diamanten zich sneller te vormen dan in andere, wat suggereert dat de aanwezigheid van deze andere chemicaliën dit proces kan versnellen. Laserproductie zou een schonere en gemakkelijker gecontroleerde methode kunnen bieden om nanodiamanten te produceren. Als we manieren kunnen ontwerpen om sommige dingen aan de reactiviteit te veranderen, kunnen we veranderen hoe snel ze zich vormen en dus hoe groot ze worden.”

Wetenschappers plannen soortgelijke experimenten met vloeibare monsters die ethanol, water en ammoniak bevatten - waar Uranus en Neptunus meestal van zijn gemaakt - waardoor ze beter kunnen begrijpen hoe diamantregen zich op andere planeten vormt.

SLAC-wetenschapper en medewerker Nicholas Hartley zei, "Het feit dat we deze extreme omstandigheden kunnen nabootsen om te zien hoe deze processen zich op zeer snelle, zeer kleine schaal afspelen, is opwindend. Door zuurstof toe te voegen, zijn we dichterbij dan ooit om het volledige beeld van deze planetaire processen te zien, maar er is nog meer werk aan de winkel. Het is een stap in de richting van de meest realistische mix en om te zien hoe deze materialen zich werkelijk gedragen op andere planeten.”

Journal Reference:

1. Zhiyu He et al. Diamantvormingskinetiek in schokgecomprimeerde C─H─O-monsters vastgelegd door röntgenverstrooiing onder kleine hoeken en röntgendiffractie. Wetenschap Advances. Deel 8, nummer 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617