Co łączy deszcze diamentów z plastikowymi butelkami? Zaskakujące wyniki badań z użyciem laserów

W tym artykule:

1. Deszcze diamentów na lodowych olbrzymach
2. Jak zrobić diamenty z plastiku?
3. Gruba warstwa diamentów na lodowych gigantach

Czy diamenty mogą padać z nieba? Na Ziemi zdarza się to jedynie w bajkach. Jednak na innych planetach taka ekscytująca możliwość jest jak najbardziej realna. Jeśli w atmosferze planety znajduje się metan, wówczas mogą zaistnieć warunki, w których w wyniku rozpadu tej cząsteczki powstaną diamenty.

Wykazano to już na początku lat 80. XX wieku. Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory policzyli wówczas, że w bardzo wysokiej temperaturze i pod gigantycznym ciśnieniem metan rozpadnie się na wodór i węgiel. Atomy tego drugiego ułożą się koło siebie tak ciasno, że powstaną diamenty.

W 1999 r. na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley udowodniono, że warunki konieczne do zajścia takiej przemiany istnieją wewnątrz Neptuna i Urana. To sugerowało, że na skaliste jądra obu tych lodowych gigantów mogą spadać deszcze diamentów.

Deszcze diamentów na lodowych olbrzymach

Osiemnaście lat później, w 2017 roku, po raz pierwszy stworzono „deszcz diamentów” w laboratorium. Naukowcy ze SLAC National Accelerator Laboratory wykorzystali wówczas instrument naukowy Matter in Extreme Conditions (MEC). Z jego pomocą wytworzyli falę uderzeniową, która przeszła przez plastik. W rezultacie doszło do przemieszczenia się tworzących plastik atomów węgla, które utworzyły diamenty wielkości kilku nanometrów.

Co ma plastik do Neptuna i Urana? Pierwiastki, z których składają się te planety, to przede wszystkim węgiel i wodór. I właśnie z tych samych pierwiastków zbudowane są cząsteczki różnego rodzaju plastiku. Jednak diabeł tkwi w szczegółach. Oba lodowe olbrzymy zwierają też mieszaninę innych pierwiastków, które wpływają na to, jakie przemiany chemiczne zachodzą nad i pod ich powierzchniami.

W najnowszym numerze czasopisma naukowego „Science Advances” ukazała się praca, która stanowi ciąg dalszy badań z 2017 r. Tym razem naukowcy – poza węglem i wodorem – wzięli pod uwagę jeszcze jeden pierwiastek obecny w gazowych olbrzymach: tlen. I wykazali, że w jego obecności na Neptunie i Uranie diamenty mogą pojawiać się częściej niż wcześniej sądzono. Oraz że mogą być większe.

Jak zrobić diamenty z plastiku?

Tym razem badacze wykorzystali w eksperymentach popularny plastik PET, czyli poli(tereftalan etylenu). To z niego produkowane są m.in. popularne plastikowe butelki. – Plastik PET ma odpowiedni skład chemiczny, czyli stosunek węgla, wodoru i tlenu, odpowiadający składowi chemicznemu lodowych gigantów – mówi Dominik Kraus, jeden z autorów pracy.

Najpierw – jak w poprzednich badaniach – plastik został zbombardowany wiązkami laserowymi generowanymi przez MEC. Następnie wykorzystano laser rentgenowski LCLS do zbadania, co się stało wewnątrz materiału.

Za pomocą metody zwanej dyfrakcją rentgenowską naukowcy obserwowali, jak zmienia się struktura plastiku. A konkretnie – jak w pewnych jego rejonach tworzą się małe diamenty. Po raz pierwszy zastosowano również technikę rozpraszania małokątowego (ang. small-angle scattering, SAS). Pozwoliła ona prześledzić, jak szybko w plastiku tworzą się „diamentowe rejony” i jakie osiągają rozmiary.

Gruba warstwa diamentów na lodowych gigantach

Naukowcy odkryli, że w obecności tlenu diamenty powstają szybciej i są większe. Ich zdaniem, na Neptunie i Uranie zjawisko jeszcze przybiera na sile. Tam mogą tworzyć się nie nanodiamenty, ale kamienie ważące nawet miliony karatów. W ciągu tysięcy lat diamenty te mogły przeniknąć przez lód skuwający powierzchnię obu planet i zebrać się w grubą, błyszczącą warstwę otulającą ich jądra.

Odnaleziono bardzo rzadki minerał, którego nigdy wcześniej nie widziano

Perowskit krzemianu wapnia (CaSiO3), według naukowców, nie powinien naturalnie występować na powierzchni Ziemi. Jak to się zatem stało, że doszło do tego niezwykłego odkrycia?

Badania procesu, w jakim powstają diamenty, tworzy ekscytującą perspektywę nie tylko dla przyszłych badaczy kosmosu, ale i inżynierów na Ziemi. Zdaniem badaczy ich praca daje nadzieję na opracowanie procesu przetwarzania taniego plastiku PET tak, by powstawały z niego nanodiamenty. Czysta i kontrolowana metoda ich produkcji byłaby wielkim osiągnięciem technologicznym. Diamenty są wykorzystywane nie tylko jako ozdoby, ale również w wielu gałęziach gospodarki – m.in. w nanotechnologii i medycynie.

Autorzy pracy z „Science Advances” zamierzają w kolejnej serii testów zbadać, jak na cały proces wpływa obecność innych związków, które znajdują się na Neptunie i Uranie. Chodzi o etanol, wodę i amoniak.

Źródła: EurekAlert, Science Advances, Uniwersytet Stanforda.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com