Un nuovo studio ha scoperto che la "pioggia di diamanti", un tipo esotico di precipitazione a lungo ipotizzato sui pianeti giganti di ghiaccio, potrebbe essere più comune di quanto si pensasse in precedenza.

In un precedente esperimento, i ricercatori hanno imitato le temperature e le pressioni estreme che si trovano nelle profondità dei giganti di ghiaccio Nettuno e Urano e, per la prima volta, hanno osservato la pioggia di diamanti mentre si formava.

Indagando su questo processo in un nuovo materiale che ricorda più da vicino la composizione chimica di Nettuno e Urano, gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e i loro colleghi hanno scoperto che la presenza di ossigeno rende più probabile la formazione di diamanti, consentendo loro di formarsi e crescere in una gamma più ampia di condizioni e su più pianeti.

Il nuovo studio fornisce un quadro più completo di come la pioggia di diamanti si forma su altri pianeti e, qui sulla Terra, potrebbe portare a un nuovo modo di fabbricare nanodiamanti, che hanno una vasta gamma di applicazioni nella somministrazione di farmaci, sensori medici, chirurgia non invasiva, produzione sostenibile ed elettronica quantistica.

"Il documento precedente è stata la prima volta che abbiamo visto direttamente la formazione di diamanti da qualsiasi miscela", ha affermato Siegfried Glenzer, direttore della divisione High Energy Density presso SLAC. "Da allora, ci sono stati molti esperimenti con diversi materiali puri. Ma all'interno dei pianeti è molto più complicato; ci sono molte più sostanze chimiche nel mix. E quindi, quello che volevamo capire qui era che tipo di effetto che hanno queste sostanze chimiche aggiuntive."

Il team, guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dall'Università di Rostock in Germania, nonché dall'École Polytechnique francese in collaborazione con SLAC, ha pubblicato oggi i risultati su Science Advances .

A cominciare dalla plastica

Nell'esperimento precedente, i ricercatori hanno studiato un materiale plastico costituito da una miscela di idrogeno e carbonio, componenti chiave della composizione chimica complessiva di Nettuno e Urano. Ma oltre al carbonio e all'idrogeno, i giganti del ghiaccio contengono altri elementi, come grandi quantità di ossigeno.

Nell'esperimento più recente, i ricercatori hanno utilizzato la plastica PET, spesso utilizzata negli imballaggi alimentari, nelle bottiglie di plastica e nei contenitori, per riprodurre la composizione di questi pianeti in modo più accurato.

"Il PET ha un buon equilibrio tra carbonio, idrogeno e ossigeno per simulare l'attività nei pianeti ghiacciati", ha affermato Dominik Kraus, fisico dell'HZDR e professore all'Università di Rostock.

L'ossigeno è il migliore amico di un diamante

I ricercatori hanno utilizzato un laser ottico ad alta potenza presso lo strumento Matter in Extreme Condition (MEC) presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC per creare onde d'urto nel PET. Quindi, hanno sondato cosa è successo nella plastica con impulsi di raggi X da LCLS.

Usando un metodo chiamato diffrazione dei raggi X, hanno osservato come gli atomi del materiale si riorganizzassero in piccole regioni di diamante. Hanno usato contemporaneamente un altro metodo chiamato dispersione del piccolo angolo, che non era stato utilizzato nel primo articolo, per misurare la velocità e l'ampiezza della crescita di quelle regioni. Utilizzando questo metodo aggiuntivo, sono stati in grado di determinare che queste regioni di diamante sono cresciute fino a pochi nanometri di larghezza. Hanno scoperto che, con la presenza di ossigeno nel materiale, i nanodiamanti erano in grado di crescere a pressioni e temperature inferiori rispetto a quelle osservate in precedenza.

"L'effetto dell'ossigeno era quello di accelerare la scissione del carbonio e dell'idrogeno e quindi incoraggiare la formazione di nanodiamanti", ha detto Kraus. "Significava che gli atomi di carbonio potevano combinarsi più facilmente e formare diamanti."

Pianeti ghiacciati

I ricercatori prevedono che i diamanti su Nettuno e Urano diventerebbero molto più grandi dei nanodiamanti prodotti in questi esperimenti, forse milioni di carati di peso. Nel corso di migliaia di anni, i diamanti potrebbero lentamente affondare attraverso gli strati di ghiaccio dei pianeti e assemblarsi in uno spesso strato di brillantini attorno al solido nucleo del pianeta.

Il team ha anche trovato prove che, in combinazione con i diamanti, potrebbe formarsi anche acqua superionica. Questa fase dell'acqua scoperta di recente, spesso descritta come "ghiaccio nero e caldo", esiste a temperature e pressioni estremamente elevate. In queste condizioni estreme, le molecole d'acqua si rompono e gli atomi di ossigeno formano un reticolo cristallino in cui i nuclei di idrogeno fluttuano liberamente. Poiché questi nuclei fluttuanti sono caricati elettricamente, l'acqua superionica può condurre corrente elettrica e potrebbe spiegare gli insoliti campi magnetici su Urano e Nettuno.

I risultati potrebbero anche avere un impatto sulla nostra comprensione dei pianeti nelle galassie lontane, dal momento che gli scienziati ora credono che i giganti di ghiaccio siano la forma più comune di pianeta al di fuori del nostro sistema solare.

"Sappiamo che il nucleo della Terra è costituito prevalentemente da ferro, ma molti esperimenti stanno ancora studiando come la presenza di elementi più leggeri possa modificare le condizioni di fusione e transizioni di fase", ha affermato Silvia Pandolfi, scienziata e collaboratrice dello SLAC. "Il nostro esperimento dimostra come questi elementi possono cambiare le condizioni in cui i diamanti si stanno formando sui giganti di ghiaccio. Se vogliamo modellare accuratamente i pianeti, dobbiamo avvicinarci il più possibile alla composizione effettiva dell'interno del pianeta."

Diamanti allo stato grezzo

La ricerca indica anche un potenziale percorso per la produzione di nanodiamanti mediante compressione d'urto azionata da laser di plastiche PET economiche. Sebbene siano già incluse negli abrasivi e negli agenti lucidanti, in futuro queste minuscole gemme potrebbero essere potenzialmente utilizzate per sensori quantistici, agenti di contrasto medici e acceleratori di reazione per le energie rinnovabili.

"Il modo in cui i nanodiamanti sono attualmente realizzati è prendere un mucchio di carbonio o diamante e farlo esplodere con esplosivi", ha affermato Benjamin Ofori-Okai, scienziato e collaboratore dello SLAC. "Questo crea nanodiamanti di varie dimensioni e forme ed è difficile da controllare. Quello che stiamo vedendo in questo esperimento è una diversa reattività della stessa specie ad alta temperatura e pressione. In alcuni casi, i diamanti sembrano formarsi più velocemente di altri , il che suggerisce che la presenza di queste altre sostanze chimiche può accelerare questo processo. La produzione laser potrebbe offrire un metodo più pulito e più facilmente controllabile per produrre nanodiamanti. Se riusciamo a progettare modi per cambiare alcune cose sulla reattività, possiamo cambiare la velocità con cui forma e quindi quanto diventano grandi."

Successivamente, i ricercatori stanno pianificando esperimenti simili utilizzando campioni liquidi contenenti etanolo, acqua e ammoniaca, di cui sono fatti principalmente Urano e Nettuno, che li porterà ancora più vicini alla comprensione di come si forma esattamente la pioggia di diamanti su altri pianeti.

"Il fatto che possiamo ricreare queste condizioni estreme per vedere come questi processi si svolgono su scale molto veloci e molto piccole è eccitante", ha affermato Nicholas Hartley, scienziato e collaboratore dello SLAC. "L'aggiunta di ossigeno ci avvicina più che mai a vedere il quadro completo di questi processi planetari, ma c'è ancora molto lavoro da fare. È un passo avanti verso l'ottenimento della miscela più realistica e vedere come questi materiali si comportano veramente su altri pianeti. " + Esplora ulteriormente

Gli scienziati creano la "pioggia di diamanti" che si forma all'interno di pianeti giganti ghiacciati