Su quei pianeti piovono diamanti

La “pioggia di diamanti” su pianeti ghiacciati giganti potrebbe essere più comune di quanto si pensasse e l’ossigeno aumenta queste precipitazioni esotiche, rivelando un nuovo modo per produrre nanodiamanti qui sulla Terra.

Un nuovo studio ha scoperto che la “pioggia di diamanti”, un tipo di precipitazione esotica a lungo ipotizzata su pianeti giganti ghiacciati, potrebbe essere più comune di quanto si pensasse in precedenza.

In un precedente esperimento, i ricercatori hanno imitato le temperature e le pressioni estreme trovate in profondità all’interno dei pianeti Nettuno e Urano e, per la prima volta, hanno osservato la pioggia di diamanti mentre si formava.

Gli scienziati del 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 in più pianeti.

Il nuovo studio fornisce un quadro più completo di come si forma la pioggia di diamanti 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.

“È stata la prima volta che abbiamo visto direttamente la formazione di diamanti”, ha detto Siegfried Glenzer, dello 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”.

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 i risultati su Science Advances.

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 di ghiaccio contengono altri elementi, come grandi quantità di ossigeno.

Nell’esperimento più recente, i ricercatori hanno utilizzato la plastica PET – spesso utilizzata in imballaggi alimentari, bottiglie di plastica e 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 di ghiaccio”, ha detto Dominik Kraus, fisico dell’HZDR e professore all’Università di Rostock.

I ricercatori hanno utilizzato un laser ottico ad alta potenza presso lo strumento Matter in Extreme Conditions (MEC) presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) dello SLAC per creare onde d’urto nel PET. Quindi, hanno sondato ciò che è accaduto nella plastica con impulsi a raggi X da LCLS.

Usando un metodo chiamato diffrazione a raggi X, hanno osservato come gli atomi del materiale si sono riorganizzati in piccole regioni di diamante. Contemporaneamente hanno usato un altro metodo chiamato scattering a piccolo angolo, che non era stato usato nel primo articolo, per misurare quanto velocemente e grandi quelle regioni crescessero.

Utilizzando questo metodo aggiuntivo, sono stati in grado di determinare che queste 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 a quelle precedentemente osservate.

“L’effetto dell’ossigeno è stato 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”.

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 attorno al nucleo planetario solido.

Il team ha anche trovato prove che, in combinazione con i diamanti, potrebbe anche formarsi acqua superionica. Questa fase dell’acqua scoperta di recente, spesso descritta come “ghiaccio caldo e nero”, 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 in 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 prevalentemente fatto di ferro, ma molti esperimenti stanno ancora studiando come la presenza di elementi più leggeri possa cambiare le condizioni di fusione e le transizioni di fase”, ha detto la scienziata e collaboratrice dello SLAC Silvia Pandolfi.

“Il nostro esperimento dimostra come questi elementi possano cambiare le condizioni in cui i diamanti si formano sui giganti di ghiaccio. Se vogliamo modellare accuratamente i pianeti, allora dobbiamo avvicinarci il più possibile alla composizione effettiva dell’interno planetario”.

La ricerca indica anche un potenziale percorso per la produzione di nanodiamanti a basso costo mediante compressione di plastiche PET guidata da laser. Sebbene già inclusi in abrasivi e agenti lucidanti, in futuro queste piccole gemme potrebbero potenzialmente essere 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”, ha detto lo scienziato e collaboratore dello SLAC Benjamin Ofori-Okai. “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 siamo in grado di progettare modi per cambiare alcune cose sulla reattività, possiamo cambiare la velocità con cui si formano e quindi quanto diventano grandi”.

Successivamente, i ricercatori stanno pianificando di utilizzare campioni liquidi contenenti etanolo, acqua e ammoniaca – i composti di cui sono fatti principalmente Urano e Nettuno – che li porteranno ancora più vicini a capire esattamente come si forma 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 detto lo scienziato e collaboratore dello SLAC Nicholas Hartley. “L’aggiunta di ossigeno ci porta più vicini che mai a vedere il quadro completo di questi processi planetari, ma c’è ancora molto lavoro da fare. È un passo avanti sulla strada per ottenere la miscela più realistica e vedere come questi materiali si comportano veramente su altri pianeti”.

 

Immagine: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory