En ny studie har funnit att "diamantregn", en exotisk typ av nederbörd som länge antagits på isgigantiska planeter, kan vara vanligare än man tidigare trott.

I ett tidigare experiment efterliknade forskare de extrema temperaturer och tryck som finns djupt inne i isjättarna Neptunus och Uranus och observerade för första gången diamantregn när det bildades.

När forskare från energidepartementets SLAC National Accelerator Laboratory och deras kollegor undersökte denna process i ett nytt material som mer liknar den kemiska sammansättningen av Neptunus och Uranus, upptäckte att närvaron av syre gör diamantbildning mer sannolikt, vilket gör att de kan bildas och växa. vid ett bredare spektrum av förhållanden och på fler planeter.

Den nya studien ger en mer komplett bild av hur diamantregn bildas på andra planeter och här på jorden kan det leda till ett nytt sätt att tillverka nanodiamanter, som har ett mycket brett spektrum av tillämpningar inom läkemedelsleverans, medicinska sensorer, icke-invasiv kirurgi, hållbar tillverkning och kvantelektronik.

"Det tidigare dokumentet var första gången som vi direkt såg diamantbildning från några blandningar", säger Siegfried Glenzer, chef för High Energy Density Division på SLAC. "Sedan dess har det gjorts en hel del experiment med olika rena material. Men inuti planeter är det mycket mer komplicerat; det finns mycket mer kemikalier i mixen. Och så, det vi ville ta reda på här var vilken typ av effekt som dessa ytterligare kemikalier har."

Teamet, som leds av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och universitetet i Rostock i Tyskland, samt Frankrikes École Polytechnique i samarbete med SLAC, publicerade idag resultaten i Science Advances .

Börjar med plast

I det tidigare experimentet studerade forskarna ett plastmaterial tillverkat av en blandning av väte och kol, nyckelkomponenter i den övergripande kemiska sammansättningen av Neptunus och Uranus. Men förutom kol och väte innehåller isjättar andra grundämnen, till exempel stora mängder syre.

I det nyare experimentet använde forskarna PET-plast - som ofta används i livsmedelsförpackningar, plastflaskor och behållare - för att reproducera sammansättningen av dessa planeter mer exakt.

"PET har en bra balans mellan kol, väte och syre för att simulera aktiviteten på isplaneter", säger Dominik Kraus, fysiker vid HZDR och professor vid universitetet i Rostock.

Syre är en diamants bästa vän

Forskarna använde en kraftfull optisk laser vid instrumentet Matter in Extreme Conditions (MEC) vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) för att skapa stötvågor i PET. Sedan undersökte de vad som hände i plasten med röntgenpulser från LCLS.

Med hjälp av en metod som kallas röntgendiffraktion, såg de hur atomerna i materialet omarrangerades till små diamantregioner. De använde samtidigt en annan metod som heter small-angle scattering, som inte hade använts i den första tidningen, för att mäta hur snabbt och stora dessa regioner växte. Med hjälp av denna ytterligare metod kunde de fastställa att dessa diamantregioner växte upp till några nanometer breda. De fann att, med närvaron av syre i materialet, kunde nanodiamanterna växa vid lägre tryck och temperaturer än vad som tidigare observerats.

"Effekten av syret var att påskynda uppdelningen av kol och väte och på så sätt uppmuntra bildandet av nanodiamanter," sa Kraus. "Det innebar att kolatomerna kunde kombineras lättare och bilda diamanter."

Iced-out planeter

Forskarna förutspår att diamanter på Neptunus och Uranus skulle bli mycket större än de nanodiamanter som produceras i dessa experiment - kanske miljontals karat i vikt. Under tusentals år kan diamanterna sakta sjunka genom planeternas islager och samlas till ett tjockt lager av bling runt den solida planetkärnan.

Teamet hittade också bevis för att, i kombination med diamanterna, kan superjoniskt vatten också bildas. Denna nyligen upptäckta vattenfas, ofta beskriven som "het, svart is", existerar vid extremt höga temperaturer och tryck. Under dessa extrema förhållanden bryts vattenmolekyler isär och syreatomer bildar ett kristallgitter där vätekärnorna flyter fritt omkring. Eftersom dessa fritt svävande kärnor är elektriskt laddade, kan superjoniskt vatten leda elektrisk ström och kan förklara de ovanliga magnetfälten på Uranus och Neptunus.

Fynden kan också påverka vår förståelse av planeter i avlägsna galaxer, eftersom forskare nu tror att isjättar är den vanligaste formen av planeter utanför vårt solsystem.

"Vi vet att jordens kärna till övervägande del är gjord av järn, men många experiment undersöker fortfarande hur närvaron av lättare grundämnen kan förändra villkoren för smältning och fasövergångar", säger SLAC-forskaren och samarbetspartnern Silvia Pandolfi. "Vårt experiment visar hur dessa element kan förändra förhållandena under vilka diamanter bildas på isjättar. Om vi ​​vill modellera planeter exakt måste vi komma så nära vi kan den faktiska sammansättningen av planetens inre."

Diamanter i det ojämna

Forskningen indikerar också en potentiell väg framåt för att producera nanodiamanter genom laserdriven stötkompression av billig PET-plast. Även om de redan ingår i slipmedel och polermedel, kan dessa små pärlor i framtiden potentiellt användas för kvantsensorer, medicinska kontrastmedel och reaktionsacceleratorer för förnybar energi.

"Sättet som nanodiamanter för närvarande tillverkas är genom att ta ett gäng kol eller diamant och spränga det med sprängämnen", säger SLAC-forskaren och samarbetspartnern Benjamin Ofori-Okai. "Detta skapar nanodiamanter av olika storlekar och former och är svårt att kontrollera. Vad vi ser i det här experimentet är en annan reaktivitet av samma art under hög temperatur och högt tryck. I vissa fall verkar diamanterna bildas snabbare än andra , vilket tyder på att närvaron av dessa andra kemikalier kan påskynda denna process. Laserproduktion skulle kunna erbjuda en renare och mer lättkontrollerad metod för att producera nanodiamanter. Om vi ​​kan utforma sätt att ändra vissa saker om reaktiviteten kan vi ändra hur snabbt de form och därmed hur stora de blir."

Därefter planerar forskarna liknande experiment med flytande prover som innehåller etanol, vatten och ammoniak – det som Uranus och Neptunus mestadels är gjorda av – vilket kommer att föra dem ännu närmare att förstå exakt hur diamantregn bildas på andra planeter.

"Det faktum att vi kan återskapa dessa extrema förhållanden för att se hur dessa processer utspelar sig i mycket snabba, mycket små skalor är spännande", säger SLAC-forskaren och samarbetspartnern Nicholas Hartley. "Att tillsätta syre för oss närmare än någonsin att se hela bilden av dessa planetära processer, men det finns fortfarande mer arbete att göra. Det är ett steg på vägen mot att få den mest realistiska blandningen och se hur dessa material verkligen beter sig på andra planeter. " + Utforska vidare

Forskare skapar "diamantregn" som bildas i det inre av isiga jätteplaneter