„Diamantový déšť“ na obřích ledových planetách může být běžnější, než se myslelo

30/09/2022 Adam Walko 6 min read 232 Zobrazení diamantová déšť, diamanty, Neptun, Uran, Země

TOP 10 Vesmír Všechny články Zajímavosti

Při studiu materiálu, který ještě více připomíná složení ledových obrů, vědci zjistili, že kyslík podporuje tvorbu diamantového deště. Tým také našel důkazy, že v kombinaci s diamanty by se mohla vytvořit nedávno objevená fáze vody, často popisovaná jako „horký, černý led“.

Vědci SLAC zjistili, že kyslík podporuje tyto exotické srážky a odhaluje novou cestu k výrobě nanodiamantů zde na Zemi

Podle nového výzkumu by „diamantový déšť“, dlouho předpokládaný exotický typ srážek na ledových obřích planetách, mohl být běžnější, než se dříve myslelo. V předchozím experimentu vědci napodobili extrémní teploty a tlaky nalezený hluboko uvnitř ledových obrů Neptunu a Uranu a poprvé pozorovali diamantový déšť při jeho vzniku, napsal SciTechDaily.

Při zkoumání tohoto procesu v novém materiálu, který se více podobá chemickému složení Neptunu a Uranu, vědci zjistili, že přítomnost kyslíku zvyšuje pravděpodobnost tvorby diamantu. To znamená, že se mohou tvořit a růst v širším rozsahu podmínek a na více planetách.

Nová studie, kterou provedli vědci z Národní laboratoře akcelerátorů SLAC ministerstva energetiky a jejich kolegové, poskytuje úplnější obrázek o tom, jak se diamantový déšť tvoří na jiných planetách. Zde na Zemi by zjištění mohla vést k novému způsobu výroby nanodiamantů, které mají velmi širokou škálu aplikací v dodávání léků, neinvazivní chirurgii, lékařských senzorech, udržitelné výrobě a kvantové elektronice.

„Od té doby proběhlo poměrně hodně experimentů s různými čistými materiály. Ale uvnitř planet je to mnohem složitější, ve směsi je mnohem více chemikálií. A tak jsme zde chtěli zjistit, jaký druh účinku mají tyto další chemikálie.“

Tým vedený Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a University of Rostock v Německu, stejně jako francouzská École Polytechnique ve spolupráci se SLAC, dne (2. září 2022) zveřejnil výsledky v Science Advances.

Na přístroji Matter in Extreme Conditions (MEC) na Linac Coherent Light Source společnosti SLAC, výzkumníci znovu vytvořili extrémní podmínky nalezené na Neptunu a Uranu a pozorovali tvorbu diamantového deště.

Počínaje plastem

V dřívějším experimentu vědci studovali plastový materiál vyrobený ze směsi vodíku a uhlíku. To jsou klíčové složky celkového chemického složení Neptunu a Uranu. Kromě uhlíku a vodíku ale ledoví obři obsahují i další prvky, například velké množství kyslíku.

V novějším experimentu vědci použili PET plast – často používaný v obalech potravin, plastových lahvích a nádobách – k přesnější reprodukci složení těchto planet.

„PET má dobrou rovnováhu mezi uhlíkem, vodíkem a kyslíkem pro simulaci aktivity na ledových planetách,“ řekl Dominik Kraus, který je fyzikem na HZDR a profesorem na univerzitě v Rostocku.

Kyslík je nejlepší přítel diamantu

Vědci použili vysoce výkonný optický laser v zařízení Matter in Extreme Conditions (MEC) na Linac Coherent Light Source (LCLS) společnosti SLAC k vytvoření rázových vln v PET plastech. Poté použili rentgenové pulsy z LCLS, aby prozkoumali, co se stalo v plastu.

Pomocí techniky zvané rentgenová difrakce sledovali, jak se atomy materiálu přeskupují do malých diamantových oblastí. Současně použili jinou metodu zvanou rozptyl v malém úhlu, která nebyla použita v prvním experimentu, aby změřili, jak velké a jak rychle tyto oblasti rostly. Pomocí této dodatečné techniky byli schopni určit, že tyto diamantové oblasti narostly do šířky několika nanometrů. Zjistili, že s přítomností kyslíku v materiálu byly nanodiamanty schopny růst při nižších tlacích a teplotách, než bylo pozorováno dříve.

„Účinek kyslíku měl urychlit štěpení uhlíku a vodíku a tím podpořit tvorbu nanodiamantů,“ řekl Kraus. „Znamenalo to, že se atomy uhlíku mohou snadněji spojovat a vytvářet diamanty.“

Zamrzlé planety

Tým předpovídá, že diamanty na Neptunu a Uranu by se staly mnohem většími než nanodiamanty vyrobené v těchto experimentech – možná o hmotnosti milionů karátů. Během tisíců let by diamanty mohly pomalu propadat vrstvami ledu planet a shromažďovat se do silné vrstvy bling kolem pevného planetárního jádra.

Vědci také našli důkaz, že v kombinaci s diamanty by se mohla tvořit také superionická voda. Tato nedávno objevená fáze vody, často popisovaná jako „horký, černý led“, existuje při extrémně vysokých teplotách a tlacích. V těchto extrémních podmínkách se molekuly vody rozpadnou a atomy kyslíku vytvoří krystalovou mřížku, ve které volně plují jádra vodíku. Protože tato volně plovoucí jádra jsou elektricky nabitá, může superionická voda vést elektrický proud a mohla by vysvětlit neobvyklá magnetická pole na Uranu a Neptunu.

Zjištění by také mohla ovlivnit naše chápání planet ve vzdálených galaxiích, protože vědci nyní věří, že ledoví obři jsou nejběžnější formou planet mimo naši sluneční soustavu.

„Víme, že zemské jádro je převážně vyrobeno ze železa, ale mnoho experimentů stále zkoumá, jak přítomnost lehčích prvků může změnit podmínky tání a fázových přechodů,“ řekla vědkyně a spolupracovnice SLAC Silvia Pandolfiová. „Náš experiment ukazuje, jak tyto prvky mohou změnit podmínky, ve kterých se tvoří diamanty na ledových obrech. Pokud chceme přesně modelovat planety, musíme se co nejvíce přiblížit skutečnému složení planetárního nitra.“

Surové diamanty

Výzkum také naznačuje potenciální cestu vpřed pro výrobu nanodiamantů pomocí laserem poháněného šokového lisování levných PET plastů. I když jsou tyto drobné drahokamy již obsaženy v brusivech a leštících prostředcích, v budoucnu by mohly být potenciálně použity pro kvantové senzory, lékařské kontrastní látky a urychlovače reakcí pro obnovitelnou energii.

„Nanodiamanty se v současnosti vyrábějí tak, že se vezme hromada uhlíku nebo diamantu a nechá se to vybuchnout výbušninami,“ řekl vědec a spolupracovník SLAC Benjamin Ofori-Okai. „Tím vznikají nanodiamanty různých velikostí a tvarů, protože je těžké ovládat výsledek. To, co vidíme v tomto experimentu, je odlišná reaktivita stejného druhu při vysoké teplotě a tlaku. V některých případech se zdá, že diamanty vznikají rychleji než jiné, což naznačuje, že přítomnost těchto dalších chemikálií může tento proces urychlit. Laserová výroba by mohla nabídnout čistší a snadněji ovladatelnou metodu výroby nanodiamantů. Pokud dokážeme navrhnout způsoby, jak změnit některé věci týkající se reaktivity, můžeme změnit, jak rychle se vytvoří, a tedy i jak moc se zvětší.“

Dále vědci plánují podobné experimenty s použitím kapalných vzorků obsahujících etanol, vodu a čpavek, z čehož se Uran a Neptun většinou skládají, což je ještě více přiblíží k pochopení toho, jak přesně vzniká diamantový déšť na jiných planetách.

„Skutečnost, že můžeme znovu vytvořit tyto extrémní podmínky, abychom viděli, jak se tyto procesy odehrávají ve velmi rychlých, velmi malých měřítcích, je vzrušující,“ řekl vědec a spolupracovník SLAC Nicholas Hartley. „Přidání kyslíku nás přivádí blíže než kdy jindy k tomu, abychom viděli úplný obraz těchto planetárních procesů, ale stále je potřeba udělat více práce.“ Je to krok na cestě k získání nejrealističtější směsi a sledování toho, jak se tyto materiály skutečně chovají na jiných planetách.“

Zdroj: SciTechDaily