Científicos crean con éxito diamantes a partir de botellas de plástico

Por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 3 de octubre de 2022

En el experimento, se disparó con un láser una hoja delgada de plástico PET simple. Los fuertes destellos de láser que golpearon la muestra de material similar a una lámina la calentaron brevemente hasta 6000 grados centígrados y, por lo tanto, generaron una onda de choque que comprimió la materia a millones de veces la presión atmosférica durante unos pocos nanosegundos. Los científicos pudieron determinar que pequeños diamantes, los llamados nanodiamantes, se formaron bajo una presión extrema. Crédito: HZDR / Blaurock

What transpires inside planets like UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Uranus and NeptuneNeptune is the farthest planet from the sun. In our solar system, it is the fourth-largest planet by size, and third densest. It is named after the Roman god of the sea." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> ¿Neptuno? Un equipo global dirigido por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad de Rostock y la École Polytechnique de Francia llevaron a cabo un experimento innovador para averiguarlo. Usaron destellos de láser intensos para estudiar lo que ocurría cuando disparaban un láser a una hoja delgada de plástico PET simple.

As a consequence, the scientists were able to support their prior hypothesis that diamonds really do rain within the ice giants at the edge of our solar system. Another was that this technique would provide a brand-new approach to making nanodiamonds, which are needed, for example, in very sensitive quantum sensors. The team's findings were recently published in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Avances de la ciencia.

Extreme conditions occur in the interior of large icy planets like Neptune and Uranus, with pressure millions of times higher than on Earth and temperatures that can reach several thousand degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius. Sin embargo, estados como estos se pueden reproducir brevemente en el laboratorio mediante el uso de destellos láser intensos para golpear una muestra de un material similar a una película, calentarlo a 6000 grados centígrados en un abrir y cerrar de ojos y crear una onda de choque que comprima el material. a un millón de veces la presión atmosférica durante unos pocos nanosegundos.

"Hasta ahora, usábamos películas de hidrocarburos para este tipo de experimentos", explica Dominik Kraus, físico de HZDR y profesor de la Universidad de Rostock. "Y descubrimos que esta presión extrema producía pequeños diamantes, conocidos como nanodiamantes".

Sin embargo, dado que los gigantes de hielo también contienen cantidades significativas de oxígeno, además de carbono e hidrógeno, solo pudo replicar parcialmente el interior de los planetas utilizando estas películas. Al buscar material de película adecuado, los investigadores se toparon con una sustancia cotidiana: PET, la resina utilizada para fabricar botellas de plástico ordinarias.

"PET tiene un buen equilibrio entre carbono, hidrógeno y oxígeno para simular la actividad en los planetas de hielo", explica Kraus.

El equipo llevó a cabo su investigación utilizando Linac Coherent Light Source (LCLS), un potente láser de rayos X basado en un acelerador, en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California. Lo utilizaron para analizar lo que sucede cuando los potentes destellos láser golpean una película de PET mientras usan simultáneamente dos técnicas de medición: difracción de rayos X para detectar si se crearon nanodiamantes y la llamada dispersión de ángulo pequeño para ver qué tan rápido y qué tan grande crecían los diamantes. .

"El efecto del oxígeno fue acelerar la división del carbono y el hidrógeno y, por lo tanto, fomentar la formación de nanodiamantes", dice Dominik Kraus, informando sobre los resultados. "Significaba que los átomos de carbono podían combinarse más fácilmente y formar diamantes". Esto respalda aún más la suposición de que, literalmente, llueven diamantes dentro de los gigantes de hielo. Los hallazgos probablemente no solo sean relevantes para Urano y Neptuno, sino también para otros innumerables planetas de nuestra galaxia. Si bien estos gigantes de hielo solían considerarse rarezas, ahora parece claro que probablemente sean la forma más común de planetas fuera del sistema solar.

El equipo también encontró indicios de otro tipo: en combinación con los diamantes, debería producirse agua, pero en una variante inusual. "Es posible que se haya formado el llamado agua superiónica", opina Kraus. "Los átomos de oxígeno forman una red cristalina en la que los núcleos de hidrógeno se mueven libremente". Debido a que los núcleos están cargados eléctricamente, el agua superiónica puede conducir la corriente eléctrica y ayudar así a crear el campo magnético de los gigantes de hielo. En sus experimentos, sin embargo, el grupo de investigación aún no pudo demostrar de manera inequívoca la existencia de agua superiónica en la mezcla con diamantes. Está previsto que esto suceda en estrecha colaboración con la Universidad de Rostock en el XFEL europeo de Hamburgo, el láser de rayos X más potente del mundo. Allí, HZDR encabeza el consorcio internacional de usuarios HIBEF que ofrece condiciones ideales para experimentos de este tipo.

Además de este conocimiento bastante fundamental, el nuevo experimento también abre perspectivas para una aplicación técnica: la producción a medida de diamantes de tamaño nanométrico, que ya están incluidos en abrasivos y agentes de pulido. En el futuro, se supone que se utilizarán como sensores cuánticos de alta sensibilidad, agentes de contraste médicos y aceleradores de reacción eficientes, por ejemplo, para dividir CO2. "Hasta ahora, los diamantes de este tipo se han producido principalmente mediante la detonación de explosivos", explica Kraus. "Con la ayuda de los flashes láser, podrían fabricarse de forma mucho más limpia en el futuro".

La visión de los científicos: un láser de alto rendimiento dispara diez destellos por segundo a una película de PET que es iluminada por el haz a intervalos de una décima de segundo. Los nanodiamantes así creados salen disparados de la película y caen en un tanque colector lleno de agua. Allí se desaceleran y luego se pueden filtrar y cosechar de manera efectiva. La ventaja esencial de este método frente a la producción por explosivos es que “los nanodiamantes podrían cortarse a medida en cuanto a tamaño o incluso doparse con otros átomos”, subraya Dominik Kraus. "El láser de rayos X significa que tenemos una herramienta de laboratorio que puede controlar con precisión el crecimiento de los diamantes".

Referencia: "Cinética de formación de diamantes en muestras de C─H─O comprimidas por choque registradas por dispersión de rayos X de ángulo pequeño y difracción de rayos X" Thomas E. Cowan, Adrien Descamps, Martin French, Eric Galtier, Arianna E. Gleason, Griffin D. Glenn, Siegfried H. Glenzer, Yuichi Inubushi, Nicholas J. Hartley, Benjamin Heuser, Oliver S. Humphries, Nobuki Kamimura, Kento Katagiri, Dimitri Khaghani, Hae Ja Lee, Emma E. McBride, Kohei Miyanishi, Bob Nagler, Benjamin Ofori-Okai, Norimasa Ozaki, Silvia Pandolfi, Chongbing Qu, Divyanshu Ranjan, Ronald Redmer, Christopher Schoenwaelder, Anja K. Schuster, Michael G. Stevenson, Keiichi Sueda, Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Katja Voigt, Jan Vorberger, Makina Yabashi , Toshinori Yabuuchi, Lisa MV Zinta, Alessandra Ravasio y Dominik Kraus, 2 de septiembre de 2022, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv .abo0617