Cosa succede all'interno di pianeti come Nettuno e Urano? Per scoprirlo, un team internazionale guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dall'Università di Rostock e dall'École Polytechnique francese ha condotto un nuovo esperimento. Hanno sparato un laser su una pellicola sottile di semplice plastica PET e hanno studiato cosa è successo utilizzando intensi lampi laser. Un risultato è stato che i ricercatori sono stati in grado di confermare la loro tesi precedente che fa davvero piovere diamanti all'interno dei giganti di ghiaccio alla periferia del nostro sistema solare. E un altro era che questo metodo potrebbe stabilire un nuovo modo di produrre nanodiamanti, necessari, ad esempio, per sensori quantistici altamente sensibili. Il gruppo ha presentato i suoi risultati sulla rivista Science Advances .

Le condizioni all'interno di pianeti giganti ghiacciati come Nettuno e Urano sono estreme:le temperature raggiungono diverse migliaia di gradi Celsius e la pressione è milioni di volte maggiore che nell'atmosfera terrestre. Tuttavia, stati come questo possono essere simulati brevemente in laboratorio:potenti lampi laser colpiscono un campione di materiale simile a una pellicola, lo riscaldano fino a 6.000 gradi Celsius in un batter d'occhio e generano un'onda d'urto che comprime il materiale per alcuni nanosecondi a un milione di volte la pressione atmosferica.

"Finora abbiamo utilizzato pellicole di idrocarburi per questo tipo di esperimenti", spiega Dominik Kraus, fisico all'HZDR e professore all'Università di Rostock. "E abbiamo scoperto che questa pressione estrema produceva minuscoli diamanti, noti come nanodiamanti."

Utilizzando questi film, tuttavia, è stato solo parzialmente possibile simulare l'interno dei pianeti, perché i giganti del ghiaccio non contengono solo carbonio e idrogeno, ma anche grandi quantità di ossigeno. Durante la ricerca del materiale cinematografico adatto, il gruppo si è imbattuto in una sostanza di uso quotidiano:il PET, la resina di cui sono fatte le normali bottiglie di plastica. "Il PET ha un buon equilibrio tra carbonio, idrogeno e ossigeno per simulare l'attività nei pianeti ghiacciati", spiega Kraus.

Il team ha condotto i suoi esperimenti presso lo SLAC National Accelerator Laboratory in California, dove si trova la Linac Coherent Light Source (LCLS), un potente laser a raggi X basato su acceleratore. Lo hanno utilizzato per analizzare cosa succede quando intensi lampi laser colpiscono una pellicola di PET, utilizzando due metodi di misurazione contemporaneamente:diffrazione dei raggi X per determinare se sono stati prodotti nanodiamanti e la cosiddetta dispersione del piccolo angolo per vedere quanto velocemente e quanto è grande i diamanti sono cresciuti.

Un grande aiuto:l'ossigeno

"L'effetto dell'ossigeno è stato quello di accelerare la scissione del carbonio e dell'idrogeno e quindi incoraggiare la formazione di nanodiamanti", afferma Dominik Kraus, riferendo i risultati. "Significava che gli atomi di carbonio potevano combinarsi più facilmente e formare diamanti". Ciò supporta ulteriormente l'ipotesi che piova letteralmente diamanti all'interno dei giganti di ghiaccio. I risultati probabilmente non sono rilevanti solo per Urano e Nettuno, ma anche per innumerevoli altri pianeti nella nostra galassia. Mentre questi giganti di ghiaccio erano considerati rarità, ora sembra chiaro che sono probabilmente la forma più comune di pianeta al di fuori del sistema solare.

Il team ha anche riscontrato indizi di un altro tipo:in combinazione con i diamanti, l'acqua dovrebbe essere prodotta, ma in una variante insolita. "Potrebbe essersi formata la cosiddetta acqua superionica", afferma Kraus. "Gli atomi di ossigeno formano un reticolo cristallino in cui i nuclei di idrogeno si muovono liberamente".

Poiché i nuclei sono caricati elettricamente, l'acqua superionica può condurre corrente elettrica e quindi contribuire a creare il campo magnetico dei giganti di ghiaccio. Nei loro esperimenti, tuttavia, il gruppo di ricerca non è stato ancora in grado di provare inequivocabilmente l'esistenza di acqua superionica nella miscela con i diamanti. Ciò dovrebbe avvenire in stretta collaborazione con l'Università di Rostock presso l'XFEL europeo di Amburgo, il laser a raggi X più potente del mondo. Lì, HZDR dirige il consorzio di utenti internazionali HIBEF che offre le condizioni ideali per esperimenti di questo tipo.

Impianto di precisione per nanodiamanti

Oltre a questa conoscenza piuttosto fondamentale, il nuovo esperimento apre anche prospettive per un'applicazione tecnica:la produzione su misura di diamanti di dimensioni nanometriche, che sono già inclusi negli abrasivi e negli agenti lucidanti. In futuro, dovrebbero essere utilizzati come sensori quantistici altamente sensibili, agenti di contrasto medici ed efficienti acceleratori di reazione, per scindere la CO₂ Per esempio. "Finora, diamanti di questo tipo sono stati prodotti principalmente facendo esplodere esplosivi", spiega Kraus. "Con l'aiuto dei flash laser, potrebbero essere prodotti in modo molto più pulito in futuro."

Un laser ad alte prestazioni emette dieci lampi al secondo su una pellicola PET, che viene illuminata dal raggio a intervalli di un decimo di secondo. I nanodiamanti così creati escono dalla pellicola e atterrano in una vasca di raccolta piena d'acqua. Lì vengono decelerati e possono quindi essere filtrati ed efficacemente raccolti. Il vantaggio essenziale di questo metodo in contrasto con la produzione di esplosivi è che "i nanodiamanti potrebbero essere tagliati su misura per quanto riguarda le dimensioni o addirittura drogati con altri atomi", afferma Dominik Kraus. "Il laser a raggi X significa che abbiamo uno strumento di laboratorio in grado di controllare con precisione la crescita dei diamanti". + Esplora ulteriormente

La "pioggia di diamanti" sui pianeti ghiacciati giganti potrebbe essere più comune di quanto si pensasse in precedenza