Ученые обработали пластик лазером и превратили его в крошечные алмазы и новый тип воды

Новое исследование, вдохновленное ледяными гигантами, такими как Нептун и Уран, показывает, что лазеры могут превратить обычный пластик в крошечные алмазы.

Используя сверхмощные лазеры, ученые взорвали дешевый пластик и превратили его в крошечные «наноалмазы» – и тем самым подтвердили существование нового экзотического типа воды.

Полученные результаты могут потенциально раскрыть существование алмазного дождя на ледяных гигантах в нашей Солнечной системе и объяснить, почему эти холодные миры имеют такие странные магнитные поля. Метод лазерной обработки также может найти более земное применение.

Наноалмазы – это алмазы размером всего в несколько нанометров, или миллиардных долей метра. Они имеют как существующие, так и потенциальные применения, такие как превращение углекислого газа в другие газы и доставка лекарств в организм, сказал соавтор исследования Доминик Краус, физик из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf в Германии, в интервью Live Science.

«Наноалмазы также могут быть использованы в качестве сверхмалых и очень точных квантовых датчиков температуры и магнитных полей, что может привести к множеству применений», – сказал Краус.

По его словам, эта техника также может уменьшить загрязнение пластиком, создавая финансовый стимул для очистки и преобразования пластика в океане.

Эксперимент с крутыми последствиями для планет ледяных гигантов

В течение многих лет ученые-планетологи подозревали, что алмазы образуются в прохладных недрах ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран.

Если эти алмазы действительно образуются, то они могут «пролиться дождем» через интерьеры этих замерзших миров.

Чтобы проверить, возможен ли этот процесс, исследователи взяли лист полиэтилентерефталата (PET) – пластика, который используется в пластиковых бутылках – и с помощью мощного оптического лазера, установленного на приборе «Материя в экстремальных условиях» в Linac Coherent Light Source Национальной ускорительной лаборатории SLAC, нагрели пластик до температуры около 10 000 градусов по Фаренгейту (6 000 градусов по Цельсию).

Это создало давление, в миллионы раз превышающее давление в атмосфере Земли на миллиардные доли секунды. Это давление, сокрушающее кости, потрясло пластик, заставив атомы углерода в пластике изменить конфигурацию, – и они превратились в кристаллическую структуру, в которой водород и кислород перемещались по этой решетке.

«Используя мощный рентгеновский лазер, мы смогли заглянуть внутрь образца и создать видеоролики происходящих там химических реакций, – сказал Краус. – Мы увидели очень эффективное образование наноалмазов внутри спрессованного пластика за время, которое мы использовали для экспериментов – всего несколько наносекунд».

Новое исследование показывает, что этот тип образования алмазов может быть более распространенным, чем считали ученые ранее, что повышает вероятность того, что ледяные гиганты могут иметь толстые слои алмазов вокруг своего твердого ядра.

Эксперимент также позволяет предположить, что при высоких температурах и давлениях, которые существуют в недрах таких ледяных миров, возникает экзотическое состояние воды, называемое суперионным водяным льдом.

Эта странная форма воды позволяет протонам двигаться через решетку из атомов кислорода. Если такая суперионная вода существует на ледяных гигантах, таких как Уран и Нептун, то движение протонов через этот экзотический тип материи может способствовать возникновению особых магнитных полей, наблюдаемых на этих планетах, сказал Краус.

Прошлые расчеты предполагали, что атомы углерода, которые, вероятно, находятся в недрах планет, сделают любую суперионную воду, которая там образуется, крайне нестабильной.

Но «наши эксперименты теперь показывают, что углерод и вода демиксируют [непреднамеренное разделение веществ в смеси] через образование алмазов, – сказал Краус. – Таким образом, изолированная вода может присутствовать внутри планет, что делает образование суперионной воды более вероятным».

И, возможно, скоро космический аппарат посетит наших ледяных соседей, чтобы проверить, действительно ли там существует алмазный дождь и экзотическая вода.

«Надеюсь, что в течение следующего десятилетия к Урану будет запущен новый космический зонд НАСА, который только что был определен как наиболее приоритетный в десятилетнем обзоре», – сказал Краус.

Полученные результаты могут иметь и более коммерческое применение. В настоящее время люди получают наноалмазы путем детонации углерода или взрывания крупных алмазов с помощью взрывчатых веществ, в результате чего образуется солянка из алмазов разного размера. Новый метод – это более чистый способ получения алмазов определенных размеров, сказал Краус.

Исследование группы было опубликовано 2 сентября в журнале Science Advances.