Un nuevo estudio ha descubierto que la lluvia de diamantes, un tipo de precipitación exótica que se ha supuesto durante mucho tiempo en los planetas gigantes de hielo, podría ser más común de lo que se pensaba.
En un experimento anterior, los investigadores imitaron las temperaturas y presiones extremas que se encuentran en las profundidades de los gigantes de hielo Neptuno y Urano y, por primera vez, observaron la lluvia de diamantes mientras se formaba.
Al investigar este proceso en un nuevo material que se asemeja más a la composición química de Neptuno y Urano, los científicos del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y sus colegas descubrieron que la presencia de oxígeno hace más probable la formación de diamantes, lo que permite que se formen y crezcan en una gama más amplia de condiciones y en más planetas.
El nuevo estudio proporciona una imagen más completa de cómo se forma la lluvia de diamantes en otros planetas y, aquí en la Tierra, podría conducir a una nueva forma de fabricar nanodiamantes, que tienen una gama muy amplia de aplicaciones en la administración de medicamentos, sensores médicos, cirugía no invasiva, fabricación sostenible y electrónica cuántica.
El anterior artículo fue la primera vez que vimos directamente la formación de diamantes a partir de cualquier mezcla, dijo Siegfried Glenzer, director de la División de Alta Densidad de Energía del SLAC. Desde entonces, se han realizado bastantes experimentos con diferentes materiales puros. Pero en el interior de los planetas es mucho más complicado; hay muchas más sustancias químicas en la mezcla. Así que lo que queríamos averiguar aquí era qué tipo de efecto tienen estas sustancias químicas adicionales.
El equipo, dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y la Universidad de Rostock en Alemania, así como la École Polytechnique de Francia en colaboración con el SLAC, publicó los resultados en Science Advances.
Empezando por el plástico
En el experimento anterior, los investigadores estudiaron un material plástico hecho de una mezcla de hidrógeno y carbono, componentes clave de la composición química general de Neptuno y Urano. Pero además de carbono e hidrógeno, los gigantes de hielo contienen otros elementos, como grandes cantidades de oxígeno.
En el experimento más reciente, los investigadores utilizaron plástico PET -usado a menudo en envases de alimentos, botellas de plástico y contenedores- para reproducir la composición de estos planetas con mayor precisión.
El PET tiene un buen equilibrio entre carbono, hidrógeno y oxígeno para simular la actividad de los planetas de hielo, explica Dominik Kraus, físico del HZDR y profesor de la Universidad de Rostock.
El oxígeno es el mejor amigo del diamante
Los investigadores utilizaron un láser óptico de alta potencia en el instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) del Linac Coherent Light Source (LCLS) del SLAC para crear ondas de choque en el PET. A continuación, analizaron lo que ocurría en el plástico con los pulsos de rayos X del LCLS.
Utilizando un método llamado difracción de rayos X, observaron cómo los átomos del material se reorganizaban en pequeñas regiones de diamante. Al mismo tiempo, utilizaron otro método llamado dispersión de ángulo pequeño, que no se había utilizado en el primer artículo, para medir la rapidez y el tamaño de esas regiones. Con este método adicional, pudieron determinar que estas regiones de diamante crecían hasta unos pocos nanómetros de ancho. Descubrieron que, con la presencia de oxígeno en el material, los nanodiamantes eran capaces de crecer a presiones y temperaturas más bajas que las observadas anteriormente.
El efecto del oxígeno fue acelerar la división del carbono y el hidrógeno y, por tanto, favorecer la formación de nanodiamantes, dijo Kraus. Significaba que los átomos de carbono podían combinarse más fácilmente y formar diamantes.
Planetas helados
Los investigadores predicen que los diamantes de Neptuno y Urano llegarían a ser mucho más grandes que los nanodiamantes producidos en estos experimentos, quizá de millones de quilates. A lo largo de miles de años, los diamantes podrían hundirse lentamente a través de las capas de hielo de los planetas y formar una gruesa capa de brillo alrededor del núcleo sólido del planeta.
El equipo también encontró pruebas de que, en combinación con los diamantes, también podría formarse agua superiónica. Esta fase del agua recientemente descubierta, a menudo descrita como hielo negro caliente, existe a temperaturas y presiones extremadamente altas. En estas condiciones extremas, las moléculas de agua se rompen y los átomos de oxígeno forman una red cristalina en la que los núcleos de hidrógeno flotan libremente. Como estos núcleos flotantes están cargados eléctricamente, el agua superiónica puede conducir la corriente eléctrica y podría explicar los inusuales campos magnéticos de Urano y Neptuno.
Los hallazgos también podrían influir en nuestra comprensión de los planetas de galaxias lejanas, ya que los científicos creen ahora que los gigantes de hielo son la forma más común de planeta fuera de nuestro sistema solar.
Sabemos que el núcleo de la Tierra está formado predominantemente por hierro, pero muchos experimentos siguen investigando cómo la presencia de elementos más ligeros puede cambiar las condiciones de fusión y las transiciones de fase, afirma la científica y colaboradora del SLAC Silvia Pandolfi. Nuestro experimento demuestra cómo estos elementos pueden cambiar las condiciones en las que se forman los diamantes en los gigantes de hielo. Si queremos modelar planetas con precisión, tenemos que acercarnos lo más posible a la composición real del interior planetario.
Diamantes en bruto
La investigación también indica una posible vía para producir nanodiamantes mediante la compresión por choque con láser de plásticos PET baratos. Aunque ya se incluyen en abrasivos y agentes de pulido, en el futuro, estas diminutas gemas podrían utilizarse para sensores cuánticos, agentes de contraste médico y aceleradores de reacciones para energías renovables.
El modo en que se fabrican actualmente los nanodiamantes consiste en tomar un montón de carbono o diamante y hacerlo estallar con explosivos, explica el científico y colaborador del SLAC Benjamin Ofori-Okai. Esto crea nanodiamantes de diversos tamaños y formas y es difícil de controlar. Lo que estamos viendo en este experimento es una reactividad diferente de la misma especie bajo alta temperatura y presión. En algunos casos, los diamantes parecen formarse más rápido que en otros, lo que sugiere que la presencia de estas otras sustancias químicas puede acelerar este proceso. La producción por láser podría ofrecer un método más limpio y fácil de controlar para producir nanodiamantes. Si podemos diseñar formas de cambiar algunas cosas de la reactividad, podemos cambiar la rapidez con la que se forman y, por tanto, su tamaño.
A continuación, los investigadores planean realizar experimentos similares con muestras líquidas que contengan etanol, agua y amoníaco -de lo que están hechos principalmente Urano y Neptuno-, lo que les acercará aún más a la comprensión de cómo se forma exactamente la lluvia de diamantes en otros planetas.
El hecho de que podamos recrear estas condiciones extremas para ver cómo se desarrollan estos procesos en escalas muy rápidas y muy pequeñas es emocionante, dijo el científico y colaborador de SLAC Nicholas Hartley. La adición de oxígeno nos acerca más que nunca a ver la imagen completa de estos procesos planetarios, pero aún queda más trabajo por hacer. Es un paso en el camino para conseguir la mezcla más realista y ver cómo se comportan realmente estos materiales en otros planetas.
Fuentes
SLAC National Accelerator Laboratory | Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf | Zhiyu He et al, Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples recorded by small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo0617.
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