¿Qué sucede dentro de planetas como Neptuno y Urano? Para averiguarlo, un equipo internacional encabezado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad de Rostock y la École Polytechnique de Francia realizó un experimento novedoso. Dispararon un láser a una película delgada de plástico PET simple e investigaron lo que sucedió usando destellos láser intensivos. Un resultado fue que los investigadores pudieron confirmar su tesis anterior de que realmente llueven diamantes dentro de los gigantes de hielo en la periferia de nuestro sistema solar. Y otra fue que este método podría establecer una nueva forma de producir nanodiamantes, que son necesarios, por ejemplo, para sensores cuánticos de alta sensibilidad. El grupo ha presentado sus hallazgos en la revista Avances de la ciencia.
Las condiciones en el interior de planetas gigantes helados como Neptuno y Urano son extremas: las temperaturas alcanzan varios miles de grados centígrados y la presión es millones de veces mayor que en la atmósfera terrestre. No obstante, estados como este se pueden simular brevemente en el laboratorio: potentes destellos láser golpean una muestra de material similar a una película, la calientan hasta 6000 grados centígrados en un abrir y cerrar de ojos y generan una onda de choque que comprime el material durante unos nanosegundos. a un millón de veces la presión atmosférica. «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, con estas películas, solo fue posible simular parcialmente el interior de los planetas, porque los gigantes de hielo no solo contienen carbono e hidrógeno, sino también grandes cantidades de oxígeno. Al buscar material de película adecuado, el grupo dio con una sustancia cotidiana: PET, la resina con la que se fabrican las 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 realizó sus experimentos en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California, la ubicación de la fuente de luz coherente Linac (LCLS), un potente láser de rayos X basado en un acelerador. Lo usaron para analizar qué sucede cuando los destellos láser intensivos golpean una película de PET, empleando dos métodos de medición al mismo tiempo: difracción de rayos X para determinar si se produjeron nanodiamantes y la llamada dispersión de ángulo pequeño para ver qué tan rápido y qué tan grande. los diamantes crecieron.
Un gran ayudante: el oxígeno
«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 antes se pensaba que estos gigantes de hielo eran rarezas, ahora parece claro que probablemente sean la forma más común de planeta 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.
Planta de precisión para nanodiamantes
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 el 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».
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
