Una forma esotica di precipitazione chiamata ‘pioggia di diamanti‘ – che si pensava si verificasse nelle profondità di pianeti giganti ghiacciati - potrebbe essere più comune di quanto si pensasse in precedenza. Un team di ricercatori ha condotto esperimenti su materiale simile a quello che si trova all’interno di giganti ghiacciati, come Nettuno e Urano, scoprendo che la presenza di ossigeno aumenta la possibilità di formazione di diamanti e che i diamanti potrebbero formarsi a basse temperature e pressioni. Ciò significa che i diamanti potrebbero crescere in un’ampia gamma di condizioni in questi mondi gelidi.
Gli stessi esperimenti hanno anche scoperto la formazione di una forma esotica di acqua che potrebbe aiutare a spiegare i campi magnetici di Urano e Nettuno che hanno finora confuso gli astronomi.
Il team di scienziati, compresi i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, nonché dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dell’Università di Rostock, si è basato su ricerche precedenti sulle condizioni e sui materiali all’interno dei giganti di ghiaccio che hanno osservato piogge di diamanti durante la loro formazione. La nuova ricerca prevede che i diamanti su Nettuno e Urano potrebbero crescere fino a grandi dimensioni, potenzialmente fino a milioni di carati di peso.
I giganti di ghiaccio non hanno una superficie solida ma diventano più densi dirigendosi verso il nucleo, il che significa che nel corso di migliaia di anni i diamanti potrebbero affondare attraverso strati di ghiaccio. Inizieranno ad accumularsi attorno al cuore solido dei pianeti formando uno spesso strato di diamanti.
Inoltre, il team ha scoperto che una nuova fase dell’acqua, chiamata acqua superionica e talvolta denominata “ghiaccio nero caldo”, si è formata accanto ai diamanti. L’acqua superionica esiste a temperature e pressioni elevate in cui le molecole d’acqua si rompono con i costituenti dell’ossigeno, formando un reticolo cristallino attraverso il quale i nuclei di idrogeno galleggiano liberamente. I nuclei di idrogeno sono carichi positivamente, il che significa che l’acqua superionica può condurre corrente elettrica che potrebbe dare origine a campi magnetici. Questo potrebbe spiegare gli insoliti campi magnetici intorno a Urano e Nettuno.
“Il nostro esperimento dimostra come questi elementi possono cambiare le condizioni in cui i diamanti si stanno formando sui giganti di ghiaccio“, ha affermato Silvia Pandolfi, scienziata dello SLAC e membro del team. “Se vogliamo modellare accuratamente i pianeti, dobbiamo avvicinarci il più possibile alla composizione effettiva dell’interno del pianeta“.
Un’immagine più complicata della formazione dei diamanti
Siegfried Glenzer, direttore della High Energy Density Division presso lo SLAC, ha spiegato che la situazione all’interno di pianeti come i giganti di ghiaccio è complicata perché ci sono molte sostanze chimiche da considerare nella formazione dei diamanti. “Il precedente articolo è stata la prima volta che abbiamo visto direttamente la formazione di diamanti da qualsiasi miscela”, ha detto Glenzer. “Da allora, ci sono stati molti esperimenti con diversi materiali puri. Quello che volevamo capire qui era che tipo di effetto hanno queste sostanze chimiche aggiuntive”.
Sebbene il team abbia iniziato i suoi esperimenti utilizzando un materiale plastico composto da una miscela di idrogeno e carbonio, elementi che si trovano comunemente nei giganti di ghiaccio, l’iterazione più recente lo ha visto sostituito con plastica PET. Conosciuto sulla Terra dai suoi usi in imballaggi, bottiglie e contenitori, il PET può essere utilizzato per replicare in modo più accurato le condizioni che si trovano all’interno dei giganti di ghiaccio. “Il PET ha un buon equilibrio tra carbonio, idrogeno e ossigeno per simulare l’attività nei pianeti di ghiaccio“, ha affermato Dominik Kraus, fisico dell’HZDR e Professore dell’Università di Rostock.
Creando onde d’urto nel PET con un laser ottico ad alta potenza, il team è stato in grado di sondare cosa stava accadendo nella plastica utilizzando impulsi di raggi X dal Linac Coherent Light Source (LCLS). Ciò ha permesso loro di osservare che gli atomi all’interno del PET si dispongono in regioni a forma di diamante, misurando la velocità con cui queste regioni sono cresciute.
Oltre a scoprire che le regioni a forma di diamante sono cresciute a scale di circa pochi nanometri di larghezza, gli scienziati hanno anche scoperto che la presenza di ossigeno nel PET significava che i nanodiamanti crescevano a pressioni e temperature inferiori rispetto a quanto visto in precedenza. “L’effetto dell’ossigeno era quello di accelerare la scissione del carbonio e dell’idrogeno e quindi incoraggiare la formazione di nanodiamanti. Significava che gli atomi di carbonio potevano combinarsi più facilmente e formare diamanti”, ha detto Kraus.
La ricerca potrebbe potenzialmente indicare la strada verso un nuovo metodo di produzione di diamanti con una dimensione inferiore a 1 micrometro, noti come “nanodiamanti“, che potrebbero essere prodotti quando la plastica PET viene colpita con una compressione d’urto azionata dal laser.
“Il modo in cui i nanodiamanti sono attualmente realizzati consiste nel prendere un mucchio di carbonio o diamante e farlo esplodere con esplosivi“, ha affermato Benjamin Ofori-Okai, scienziato dello SLAC e collaboratore del team. “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”.
Ofori-Okai ha aggiunto che la produzione laser potrebbe offrire un metodo più pulito e più facilmente controllabile per produrre nanodiamanti. “Se riusciamo a progettare modi per cambiare alcune cose sulla reattività, possiamo cambiare la velocità con cui si formano e quindi quanto diventano grandi”, ha continuato.
I nanodiamanti hanno una vasta gamma di potenziali applicazioni in medicina, tra cui la somministrazione di farmaci, la chirurgia non invasiva e i sensori medici, nonché nel campo della tecnologia quantistica. Ciò significa che le scoperte degli scienziati potrebbero avere importanti implicazioni che potrebbero essere più vicine a casa rispetto ai giganti di ghiaccio che si nascondono alla periferia del sistema solare.
Gli scienziati coinvolti in questa ricerca tenteranno ora esperimenti utilizzando campioni liquidi contenenti sostanze chimiche come etanolo, acqua e ammoniaca, alcuni dei principali costituenti dei giganti del ghiaccio, per ottenere un quadro migliore di ciò che sta accadendo sotto le atmosfere ghiacciate di questi mondi.
La ricerca del team è pubblicata sulla rivista Science Advances.
