Een nieuwe studie heeft aangetoond dat "diamantregen", een lang verondersteld exotisch type neerslag op ijsreuzenplaneten, vaker zou kunnen voorkomen dan eerder werd gedacht.

In een eerder experiment bootsten onderzoekers de extreme temperaturen en drukken na die diep in de ijsreuzen Neptunus en Uranus werden aangetroffen en observeerden ze voor het eerst diamantregen terwijl deze zich vormde.

Bij het onderzoeken van dit proces in een nieuw materiaal dat meer lijkt op de chemische samenstelling van Neptunus en Uranus, ontdekten wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en hun collega's dat de aanwezigheid van zuurstof diamantvorming waarschijnlijker maakt, waardoor ze zich kunnen vormen en groeien onder een breder scala van omstandigheden en op meer planeten.

De nieuwe studie geeft een completer beeld van hoe diamantregen zich vormt op andere planeten en, hier op aarde, zou kunnen leiden tot een nieuwe manier om nanodiamanten te fabriceren, die een zeer breed scala aan toepassingen hebben bij het toedienen van medicijnen, medische sensoren, niet-invasieve chirurgie, duurzame productie en kwantumelektronica.

"Het eerdere artikel was de eerste keer dat we direct diamantvorming zagen van mengsels", zegt Siegfried Glenzer, directeur van de High Energy Density Division bij SLAC. "Sindsdien zijn er nogal wat experimenten geweest met verschillende pure materialen. Maar binnen planeten is het veel gecompliceerder; er zijn veel meer chemicaliën in de mix. En dus, wat we hier wilden uitzoeken, was wat voor soort effect van deze extra chemicaliën."

Het team, geleid door het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Universiteit van Rostock in Duitsland, evenals de Franse École Polytechnique in samenwerking met SLAC, publiceerde de resultaten vandaag in Science Advances .

Begin met plastic

In het vorige experiment bestudeerden de onderzoekers een plastic materiaal gemaakt van een mengsel van waterstof en koolstof, belangrijke componenten van de algehele chemische samenstelling van Neptunus en Uranus. Maar naast koolstof en waterstof bevatten ijsreuzen ook andere elementen, zoals grote hoeveelheden zuurstof.

In het meer recente experiment gebruikten de onderzoekers PET-plastic - vaak gebruikt in voedselverpakkingen, plastic flessen en containers - om de samenstelling van deze planeten nauwkeuriger te reproduceren.

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

Zuurstof is de beste vriend van een diamant

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

Met behulp van een methode die röntgendiffractie wordt genoemd, keken ze hoe de atomen van het materiaal zich herschikten in kleine diamantgebieden. Ze gebruikten tegelijkertijd een andere methode, kleine-hoekverstrooiing genaamd, die niet in het eerste artikel was gebruikt, om te meten hoe snel en groot die gebieden groeiden. Met behulp van deze aanvullende methode konden ze vaststellen dat deze diamantregio's tot enkele nanometers breed werden. Ze ontdekten dat, met de aanwezigheid van zuurstof in het materiaal, de nanodiamanten konden groeien bij lagere drukken en temperaturen dan eerder werd waargenomen.

"Het effect van de zuurstof was om de splitsing van koolstof en waterstof te versnellen en zo de vorming van nanodiamanten aan te moedigen," zei Kraus. "Het betekende dat de koolstofatomen zich gemakkelijker konden combineren en diamanten konden vormen."

Bevroren planeten

De onderzoekers voorspellen dat diamanten op Neptunus en Uranus veel groter zouden worden dan de nanodiamanten die in deze experimenten werden geproduceerd - misschien wel miljoenen karaat in gewicht. In de loop van duizenden jaren zouden de diamanten langzaam door de ijslagen van de planeten kunnen zinken en samenkomen in een dikke laag blingbling rond de vaste planetaire kern.

Het team vond ook bewijs dat zich in combinatie met de diamanten ook superionisch water zou kunnen vormen. Deze recent ontdekte fase van water, vaak beschreven als "heet, zwart ijs", bestaat bij extreem hoge temperaturen en drukken. Onder deze extreme omstandigheden breken watermoleculen uit elkaar en vormen zuurstofatomen een kristalrooster waarin de waterstofkernen vrij rondzweven. Omdat deze vrij zwevende kernen elektrisch geladen zijn, kan superionisch water elektrische stroom geleiden en de ongebruikelijke magnetische velden op Uranus en Neptunus verklaren.

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 planeten buiten ons zonnestelsel zijn.

"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", zegt SLAC-wetenschapper en medewerker Silvia Pandolfi. "Ons experiment laat zien hoe deze elementen de omstandigheden kunnen veranderen waarin diamanten zich vormen op ijsreuzen. Als we planeten nauwkeurig willen modelleren, moeten we zo dicht mogelijk bij de werkelijke samenstelling van het planetaire binnenste komen."

Ruwe diamanten

Het onderzoek wijst ook op een mogelijke weg voorwaarts voor de productie van nanodiamanten door lasergestuurde schokcompressie van goedkope PET-kunststoffen. Hoewel deze kleine edelstenen al zijn opgenomen in schuur- en polijstmiddelen, kunnen ze in de toekomst mogelijk worden gebruikt voor kwantumsensoren, medische contrastmiddelen en reactieversnellers voor hernieuwbare energie.

"De manier waarop nanodiamanten momenteel worden gemaakt, is door een bos koolstof of diamant te nemen en deze op te blazen met explosieven", zegt SLAC-wetenschapper en medewerker Benjamin Ofori-Okai. "Dit creëert nanodiamanten van verschillende groottes en vormen en is moeilijk te controleren. Wat we in dit experiment zien, is een andere reactiviteit van dezelfde soort onder hoge temperatuur en druk. In sommige gevallen lijken de diamanten sneller te vormen dan 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 vorm en dus hoe groot ze worden."

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

"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", zei SLAC-wetenschapper en medewerker Nicholas Hartley. "Het toevoegen van zuurstof brengt ons dichter dan ooit bij het zien van het volledige beeld van deze planetaire processen, maar er is nog meer werk aan de winkel. Het is een stap op weg naar het verkrijgen van de meest realistische mix en om te zien hoe deze materialen zich werkelijk gedragen op andere planeten. " + Verder verkennen

Wetenschappers creëren 'diamantenregen' die zich vormt in het binnenste van ijzige reuzenplaneten