In un precedente esperimento, i ricercatori avevano imitato le temperature e le pressioni estreme che si trovano nelle profondità dei giganti di ghiaccio Nettuno e Urano, osservando per la prima volta la formazione del fenomeno. Ma da allora, le indagini sono andate avanti per mettere a punto la composizione dei pianeti in laboratorio. E ora, gli scienziati, guidati da guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dall'Università di Rostock in Germania, nonché dall'École Polytechnique francese in collaborazione con SLAC National Accelerator Laboratory, hanno scoperto che la presenza di ossigeno rende più probabile la formazione di diamanti, che possono formarsi e crescere in una gamma più ampia di condizioni e su più pianeti.
"Con la ricerca precedente è stata la prima volta che abbiamo visto direttamente la formazione di diamanti da qualsiasi miscela", ha affermato Siegfried Glenzer, direttore della divisione High Energy Density presso 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. E quindi, quello che volevamo capire qui era che tipo di effetto avrebbero avuto queste sostanze chimiche aggiuntive".

Il nuovo studio, pubblicato su Science Advances, fornisce un quadro più completo di come la pioggia di diamanti si forma 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.

 

Si parte dalla plastica

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 del ghiaccio contengono altri elementi, come grandi quantità di ossigeno. Nell'esperimento più recente, i ricercatori hanno utilizzato la plastica PET, spesso utilizzata negli imballaggi alimentari, nelle bottiglie di plastica e nei 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 affermato Dominik Kraus, fisico dell'HZDR e professore all'Università di Rostock.

Quindi, il team ha utilizzato il laser ottico ad alta potenza dello strumento Matter in Extreme Condition (MEC) presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC per creare onde d'urto nel PET e poi ha verificato l'evoluzione nel materiale usando un metodo chiamato diffrazione dei raggi X. Quest'ultimo ha evidenziato come gli atomi del materiale si riorganizzassero in piccole regioni di diamante. Con un metodo aggiuntivo chiamato "dispersione a piccolo angolo", non utilizzato nello studio precedente, la squadra ha poi misurato la velocità e l'ampiezza della crescita di tali regioni.

L'analisi ha dimostrato che queste zone di diamante sono cresciute fino a pochi nanometri di larghezza ma, con la presenza di ossigeno nel materiale, i nanodiamanti erano in grado di crescere a pressioni e temperature inferiori rispetto a quelle osservate in precedenza.
"L'effetto dell'ossigeno era 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 pianeti ghiacciati

I ricercatori prevedono che i diamanti su Nettuno e Urano potrebbero diventare molto più grandi dei nanodiamanti prodotti in questi esperimenti, forse milioni di carati (svariati quintali) di massa.
Nel corso di migliaia di anni, i diamanti affonderebbero lentamente attraverso gli strati di ghiaccio dei pianeti per assemblarsi in uno spesso strato attorno al solido nucleo planetario.

Il team ha anche scoperto che, in combinazione con i diamanti, potrebbe formarsi anche acqua superionica. Questa fase dell'acqua scoperta di recente, spesso descritta come "ghiaccio nero e caldo", 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 può così spiegare gli insoliti campi magnetici su Urano e Nettuno.

Nanodiamanti grezzi a portata di mano

La ricerca indica anche un potenziale percorso per la produzione di nanodiamanti mediante compressione d'urto azionata da laser in plastiche PET economiche. Sebbene siano già incluse negli abrasivi e negli agenti lucidanti, in futuro queste minuscole gemme potrebbero essere potenzialmente utilizzate per sensori quantistici, agenti di contrasto medici e acceleratori di reazione per le energie rinnovabili.

Per il futuro, i ricercatori stanno pianificando esperimenti simili utilizzando campioni liquidi contenenti etanolo, acqua e ammoniaca, di cui sono fatti principalmente Urano e Nettuno. Ciò porterà ad una comprensione migliore di come si forma esattamente la pioggia di diamanti su altri pianeti.