En la periferia de nuestro sistema solar, orbitan los denominados gigantes helados, o así es como se les conoce a los planetas Urano y Neptuno ya que están constituidos principalmente por hielo y gas, estos planetas tienen condiciones muy extremas en el interior de su atmosfera, lo que ha llevado a que algunos investigadores supongan que esas condiciones pueden provocar que lluevan diamantes en su interior. Y para poner a prueba esta hipótesis, un grupo internacional de investigadores llevaron a cabo un interesante experimento, dispararon un láser sobre una fina película de plástico, y el fuerte destello del láser creo una onda de choque tan extrema que produjo diminutos diamantes.
Un potente laser disparado sobre una pecula de PET recrea condiciones extremas de la atmofera de los gigantes helados. Fuente: @emiliomoron, la imagen de la botella y Neptuno son de dominio público.
Urano y Neptuno tienen una composición muy similar, aunque diferente de los otro gigantes gaseosos, la atmósfera de estos dos planetas contiene hidrogeno, helio, vestigios de hidrocarburos, y una mezcla fluida densa de agua, metano y amoniaco. Y las condiciones extremas de temperatura y presión en el interior de estos cuerpos celestes, que se cree pueden llegar a ser varios miles de grados Celsius y millones de veces la presión atmosférica de la Tierra, han hecho pensar que es posible que estos materiales de su atmósfera lleven a cabo reacciones químicas y transiciones de fases muy peculiares, y entre esto se cree que se llevan a cabo disociaciones de hidrocarburos que llevarían a la formación de diamantes que se precipitan hacia al núcleo rocoso.
Estructura interna de Neptuno. Fuente: Wikipedia.org.
Las condiciones extremas que se presentan la atmósfera profunda de estos planetas se han logrado simular brevemente en laboratorios, utilizando el potente destello de un láser que al impactar la superficie de una muestra crea una onda de choque tan fuerte que durante unos pocos nanosegundos puede calentar la superficie a unos 6000 K y comprimir el material con una presión millones de veces más grande que la presión atmosférica terrestre.
Pero hasta ahora la formación de diamantes solo se había simulado utilizando sistemas puros C-H, utilizando láminas de hidrocarburos en estos experimentos. Pero era necesario considerar la presencia de agua, y por ende oxígeno, en la atmósfera de estos planetas, por lo que este equipo de investigación decidió evaluar sistemas C-H-O, buscando obtener resultados más realistas, ya que Urano y Neptuno no solo contienen carbono e hidrogeno en su atmósfera, sino también oxígeno, y utilizaron una lamina de plástico simple de tereftalato de polietileno (PET), (C10H8O4)n, en los experimentos de choques de láser para simular esta mezcla de elementos.
Como quizás sepan, el PET es uno de los plásticos más utilizados cotidianamente, es el material con el que se fabrican las botellas de plástico común, y al buscar un material adecuado para la lámina de las pruebas, los investigadores se percataron de que este polimero tiene la relación estequimetrica entre carbono, hidrogeno y oxigeno adecuada para simular la composición interna de los planetas.
El PET es de los plásticos más cómunes. Fuente: imagen editada en powerpoit, original de pxhere.com.
Este equipo llevo a cabo las pruebas de choque de láser en las instalaciones del Linac Coherent Light Source (LCLS), la primera instalación de láser de electrones libres (FEL) de rayos X, la cual, mediante un acelerador, puede proporcionar una radiación similar a la de un láser pero 10000 millones de veces más brillante y potente que cualquier fuente de rayos X existente.
Por otro lado, hicieron uso de una combinación de dos métodos de medición, la difracción de rayos X (DRX) con el propósito de identificar estructuras cristalinas formadas e identificar la formación de diamantes, junto con la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), la cual es sensible a muestras del orden de 1 a 100 nm de tamaño, para determinar el tamaño de los diamantes formados. Esto permitió el sondeo de la estructura de los materiales sometidos a una compresión dinámica, pudiendo imitar así las condiciones interiores de estos planetas.
Esquema del experimento que combina los métodos DRX y SAXS. Fuente: Imagen elaborada en Powerpoint.
Mediante estos experimentos lograron observar la formación de nanodiamantes a presiones entre 72 y 125 GPa y a temperaturas entre 3500 y 6000 K, y determinaron que el oxigeno tiene el efecto de acelerar la división del carbono y el hidrogeno de la molécula, lo que fomenta la formación de nanodiamantes.
Estas observaciones son muy importantes ya que refuerzan la suposición de que en Urano y Neptuno pueden, literalmente, llover diamantes; y además de este conocimiento fundamental, han proporcionado un método para producir nanodiamentes, muy demandados para producir abrasivos, sensores cuanticos y como alternativa a los nanomateriales en el campo de la medicina para el transporte de medicamentos y trazadores para diagnósticos. Lo que representa un método más limpio de producción, ya que el estandar de la industria se ha vuelto la detonación de explosivos en cámaras selladas libres de oxigeno para producir una mezcla de nanodiamantes.
Bueno amigos, espero les haya gustado la información, sobre esta interesante forma de reproducir las condiciones extremas de la atmosfera de los gigantes helados para probar la hipótesis de que en estos llueven diminutos diamantes. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Wikipedia.org. Ice giant
Hmong.es. Nanodiamantes, historia y estructura
Z. He, M. Rödel et al. (2022) Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples recorded by small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction, in Science Advances, Vol. 8, No. 35.
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