Científicos usaron láseres para transformar plástico en pequeños diamantes

¿Es una nueva forma de reciclaje o una quimera?

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Dicen que la basura de una persona es el tesoro de otra.

Ahora, un equipo internacional de científicos ha logrado que esa afirmación sea literal al convertir plástico de tereftalato de polietileno (PET) barato en nanodiamantes: diamantes microscópicos sintéticos.

"En nanosegundos, [...] el 10 por ciento de todos los átomos de carbono dentro de esta muestra de plástico se transforman en diamantes muy pequeños", dice a Treehugger el coautor del estudio y profesor del Instituto de Física de la Universidad de Rostock, Dominik Kraus. "Y esos nanodiamantes muy pequeños pueden tener, o ya tienen de alguna forma, pero tal vez incluso más en el futuro, aplicaciones muy interesantes para la tecnología".

La transformación, publicada en Science Advances en el otoño de 2022, fue un poco sorprendente, dice Kraus. Eso se debe a que el equipo de investigación, del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía en California, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad de Rostock en Alemania y la École Polytechnique de Francia, no estaba tratando de encontrar usos terrenales para el plástico, sino más bien entender la química de otros planetas.

"Originalmente, esto estaba motivado para obtener una mejor imagen de qué tipo de química está sucediendo dentro de los planetas gigantes como Neptuno y Urano", dice Kraus.

Esto es importante para comprender el universo en general, porque los científicos creen que los gigantes de hielo son el tipo de planeta más común más allá de nuestro sistema solar. En un nivel elemental, estos planetas se componen principalmente de carbono, hidrógeno y oxígeno con un poco de nitrógeno, dice Kraus. Sin embargo, es cómo interactúan estos elementos bajo condiciones planetarias extremas lo que realmente fascina a los científicos. Es posible que las condiciones en estos planetas puedan generar un tipo especial de agua llamada agua superiónica. También pueden hacer que los diamantes caigan como lluvia.

Olivier Bonin / Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC

¿Qué es el agua superiónica? "El agua superiónica es una forma predicha de agua en la que los átomos de oxígeno forman una red cristalina y los núcleos de hidrógeno [son] capaces de moverse libremente a través de esta red de oxígeno", dice Kraus.

La presencia de esta agua superiónica podría explicar los campos magnéticos únicos que los científicos creen que existen en estos planetas, escribieron los autores del estudio.

Para tratar de descubrir qué podría estar sucediendo en estos planetas, los científicos necesitan replicar de alguna manera sus condiciones extremas, con temperaturas de miles de grados Celsius y una presión atmosférica millones de veces mayor que la de la Tierra, en el laboratorio. Lo hacen disparando un material transparente con un láser de alta potencia que puede calentar la película a 6000 grados Fahrenheit, produciendo una onda de choque que multiplica la presión sobre el material por un millón. Luego, utilizan el láser de rayos X basado en el acelerador Linac Coherent Light Source (LCLS) especial, ubicado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, para ver qué sucede cuando los destellos del láser golpean la película.

Experimentos anteriores que volaban poliestireno, un plástico compuesto de hidrógeno y carbono, habían llevado a la evidencia de que la precipitación de diamantes realmente podría formarse en estos planetas. Sin embargo, estos planetas también tienen mucha agua, y los científicos creen que es probable que se forme agua superiónica cuando el carbono y el agua se separan.

Por eso recurrieron al PET, que tiene la fórmula química C10H8O4. Fue este experimento el que generó los nanodiamantes y reforzó la evidencia científica de que los gigantes de hielo podrían ver tanto lluvia de diamantes como agua superiónica.

"Sabemos que el núcleo de la Tierra está hecho predominantemente de hierro, pero muchos experimentos todavía están investigando cómo la presencia de elementos más ligeros puede cambiar las condiciones de fusión y las transiciones de fase", dice la científica de SLAC y coautora del estudio, Silvia Pandolfi, en un comunicado de prensa de SLAC. . "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, debemos acercarnos lo más posible a la composición real del interior planetario".

Blaurock / HZDR

Si bien esta no era la intención del experimento, los investigadores creen que pueden haber desarrollado un nuevo método para generar nanodiamantes a partir de material barato.

"La forma en que se fabrican los nanodiamantes actualmente es tomando un montón de carbono o diamante y haciéndolos estallar con explosivos", dice en el comunicado de prensa el científico de SLAC y coautor del estudio, Benjamin Ofori-Okai. "Esto crea nanodiamantes de varios 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 otros. , lo que sugiere que la presencia de estos otros productos químicos puede acelerar este proceso. La producción de láser podría ofrecer un método más limpio y más fácil de controlar para producir nanodiamantes. Si podemos diseñar formas de cambiar algunas cosas sobre la reactividad, podemos cambiar la rapidez con que se producen. forma y, por lo tanto, qué tan grandes se vuelven".

Kraus dice que es poco probable que el proceso se amplíe como una solución a la contaminación plástica, pero aún podría dar una segunda vida útil a algunos plásticos. Los nanodiamantes se utilizan actualmente en abrasivos y agentes de pulido, según SLAC. Sin embargo, las posibles aplicaciones futuras incluyen sensores cuánticos, agentes de contraste para usos medicinales y aceleradores de reacciones químicas, incluida la división del dióxido de carbono, según HZDR.

En particular, Kraus cree que los nanodiamantes podrían ayudar con la fotocatálisis del dióxido de carbono, un proceso que utiliza la luz para convertir el gas de efecto invernadero en hidrógeno o metano.

"[Usted] hace flotar, por ejemplo, el agua con esos nanodiamantes y hace brillar la luz del sol sobre ella y luego trae dióxido de carbono a través de esta región de agua", explica Kraus.

Algunos científicos han argumentado que reciclar dióxido de carbono como este podría ser una solución climática al generar una fuente de metano más sostenible que no requiere extraer combustibles fósiles adicionales de debajo de la Tierra. Sin embargo, Matteo Pasquali, profesor AJ Hartsook de ingeniería química y biomolecular, química y ciencia de materiales y nanoingeniería en la Universidad de Rice, arroja un poco de agua fría sobre estas afirmaciones.

"Las emisiones de dióxido de carbono provocadas por el hombre son la causa del cambio climático y no pueden ser la solución", le dice a Treehugger. "Emitimos dióxido de carbono porque se genera cuando quemamos carbón, petróleo y gas (metano) para generar energía. Por supuesto, se necesita más energía para reconvertir el CO2 en metano (o petróleo o gas) que la energía que se extrajo del metano. Esto es independiente de la tecnología y se debe a la primera y segunda leyes de la termodinámica que, por ejemplo, establecen que no se puede generar energía en un proceso cíclico y que se requiere una entrada de energía externa para ejecutar los procesos cíclicos".

Piensa que en un futuro en el que los formuladores de políticas hayan logrado reducir a cero las emisiones de gases de efecto invernadero, podría ser posible usar energía renovable para reciclar el dióxido de carbono en carbono, pero también cree que los sistemas naturales eliminarían con éxito el exceso de carbono atmosférico si los humanos simplemente dejaran de quemar combustibles fósiles.

Tampoco cree que los nanodiamantes ayuden con el reciclaje de dióxido de carbono.

Si bien parece poco probable que el uso de láseres para transformar botellas de plástico en pequeños diamantes sea parte de la solución a las principales crisis ambientales que enfrenta nuestro planeta, sigue siendo un recordatorio de los felices accidentes producidos por el proceso científico. Kraus dice que un elemento particularmente "divertido" de los hallazgos fue que la investigación astrofísica había llevado a posibles aplicaciones terrestres. Para él, es un recordatorio de que la ciencia no solo tiene que tratar de resolver problemas. A veces, hacer preguntas por curiosidad puede conducir a soluciones que ni siquiera estabas buscando.

"La investigación impulsada por la curiosidad también es muy importante y hay muchos ejemplos de cómo esto ha transformado nuestro mundo", dice.

A continuación, Kraus espera aprender más sobre lo que sucede en los gigantes de hielo y descubrir formas de producir más nanodiamantes.

Él, Zhiyu, et. Alabama. "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". Avances científicos, vol. 8, núm. 35, 2 de septiembre de 2022, DOI:10.1126/sciadv.abo0617

Kraus, D., et al. Formación de diamantes en hidrocarburos comprimidos con láser en condiciones del interior planetario. Nat Astron, vol. 1, págs. 606–611, 2017., doi:10.1038/s41550-017-0219-9

Sundermier, Ali. "La 'lluvia de diamantes' en planetas helados gigantes podría ser más común de lo que se pensaba". Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.

"Hacer nanodiamantes con botellas de plástico". Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf.

Ulmer, Ulrich, et al. Fundamentos y aplicaciones de la metanización fotocatalítica de CO2. Nat Commun, vol. 10, núm. 3169 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-10996-2