Científicos crean lluvia de Diamantes en el laboratorio

En un experimento diseñado para imitar las condiciones profundas dentro de los planetas gigantes helados de nuestro sistema solar, los científicos fueron capaces de observar "la lluvia de diamantes" por primera vez, esto se logró gracias a condiciones en alta presión. Cuando la presión es extremadamente alta ésta comprime el hidrógeno y el carbono que se encuentran dentro de estos planetas gigantes, formándose así  diamantes sólidos que se hunden lentamente hacia el interior.

Los investigadores simularon el ambiente que se encuentra dentro de estos planetas creando ondas de choque en plástico, con un láser óptico intenso, este experimento se hizo con el instrumento de Materia en Condiciones Extremas (MEC) en el láser de rayos X  del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC .

Los investigadores en el experimento, fueron capaces de ver que casi todos los átomos de carbono del plástico original se incorporaron en pequeñas estructuras de diamantes de hasta unos pocos nanómetros de ancho. En Urano y Neptuno, los autores del estudio predicen que los diamantes serían mucho más grandes, tal vez millones de quilates de peso. Los investigadores también piensan que es posible que durante miles de años, los diamantes se hunden lentamente a través de las capas de hielo de los planetas y se ensamblen en una gruesa capa alrededor del núcleo.

"Anteriormente, los investigadores sólo podían suponer que los diamantes se habían formado", dijo Dominik Kraus, científico de Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf y autor principal de la publicación. "Cuando vi los resultados de este último experimento, fue uno de los mejores momentos de mi carrera científica".

Experimentos anteriores que intentaron recrear la lluvia de diamantes en condiciones similares no fueron capaces de capturar las mediciones en tiempo real, debido al hecho de que actualmente podemos crear estas condiciones extremas  bajo las cuales los diminutos diamantes se forman sólo por un tiempo muy breve en el laboratorio. Los láseres ópticos de alta energía de MEC combinados con los pulsos de rayos X de LCLS que duran sólo unos femtosegundos o cuadrilliones de segundo, permitieron a los científicos medir directamente la reacción química.

Otros experimentos anteriores también vieron indicios de carbono que forman grafito o diamante a presiones más bajas que las creadas en este experimento, pero con otros materiales introducidos.

Los resultados presentados en este experimento son la primera observación inequívoca de la formación de diamantes de alta presión a partir de mezclas y de acuerdo con las predicciones teóricas sobre las condiciones bajo las cuales tal precipitación puede formar y proporcionará a los científicos con mejor información para describir y clasificar otros mundos.

Convertir el plástico en diamante

En el experimento, el plástico simula compuestos formados a partir de metano una molécula con un solo carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno que causa el distinto molde azul de Neptuno.

El equipo estudió un material plástico, el poliestireno, que está hecho de una mezcla de hidrógeno y carbono, componentes clave de la composición química global de estos planetas.

En las capas intermedias de los planetas gigantes helados, el metano forma cadenas de hidrocarburos (hidrógeno y carbono) que fueron formuladas durante largo tiempo para responder a altas presiones y temperaturas en capas más profundas y formar la precipitación espumosa.

Los investigadores utilizaron láser óptico de alta potencia para crear pares de ondas de choque en el plástico con la combinación correcta de temperatura y presión. El choque primero es más pequeño y más lento y superado por el segundo choque más fuerte. Cuando las ondas de choque se superponen, ese es el momento en que los picos de presión y cuando la mayoría de los diamantes se forman, dijo Kraus.

Durante esos momentos, el equipo investigó la reacción con pulsos de rayos X de LCLS que duran sólo 50 femtosegundos. Esto les permitió ver los pequeños diamantes que se forman en fracciones de segundo con una técnica llamada difracción de rayos X de femtosegundos. Las instantáneas de rayos X proporcionan información sobre el tamaño de los diamantes y los detalles de la reacción química según se produce.

"Para este experimento, tuvimos LCLS la fuente de rayos X más brillante del mundo", dijo Siegfried Glenzer, profesor de ciencia de fotones en SLAC y coautor del artículo. "Necesitas estos intensos y rápidos pulsos de rayos X para ver inequívocamente la estructura de estos diamantes, porque sólo se forman en el laboratorio durante un tiempo muy corto".

Nanodiamantes en el trabajo

Cuando los astrónomos observan exoplanetas fuera de nuestro sistema solar, son capaces de medir dos rasgos primarios la masa, que se mide por el bamboleo de las estrellas, y el radio, observado desde la sombra cuando el planeta pasa delante de una estrella. La relación entre los dos se utiliza para clasificar un planeta y ayudar a determinar si puede estar compuesto de elementos más pesados ​​o más ligeros.

"Con los planetas, la relación entre la masa y el radio puede decir a los científicos un poco sobre la química", dijo Kraus. "Y la química que ocurre en el interior de estos planetas puede proporcionar información adicional sobre algunas de las características definitorias del planeta".

La información de estudios como éste sobre cómo los elementos se mezclan y se agrupan bajo presión en el interior de un planeta puede cambiar la forma en que los científicos calculan la relación entre masa y radio, permitiendo a los científicos modelar y clasificar mejor los planetas individuales. La caída de "lluvia de diamantes" también podría ser una fuente adicional de energía, generando calor mientras se hunde hacia el núcleo.

"No podemos entrar en los planetas y verlos, así que estos experimentos de laboratorio complementan las observaciones de los satélites y telescopios", dijo Kraus.

Los investigadores también planean aplicar los mismos métodos para mirar otros procesos que ocurren en los interiores de los planetas.

Además de las ideas que dan a la ciencia planetaria, nanodiamantes hechos en la Tierra podrían ser cosechados potencialmente para fines comerciales los usos que abarcan la medicina, el equipo científico y la electrónica. Actualmente, los nanodiamantes se producen comercialmente a partir de explosivos; La producción de láser puede ofrecer un método más limpio y más fácilmente controlado.

La investigación que comprime la materia, como este estudio, también ayuda a los científicos a entender y mejorar los experimentos de fusión donde las formas de hidrógeno se combinan para formar helio para generar grandes cantidades de energía. Este es el proceso que alimenta el sol y otras estrellas, pero aún no se ha realizado de manera controlada para las plantas de energía en la Tierra.

En algunos experimentos de fusión, un combustible de dos formas diferentes de hidrógeno está rodeado por una capa de plástico que alcanza condiciones similares al interior de los planetas durante una fase de compresión de corta duración. El experimento LCLS en plástico ahora sugiere que la química puede desempeñar un papel importante en esta etapa.

"Las simulaciones no captan realmente lo que estamos observando en este campo", dijo Glenzer. "Nuestro estudio y otros proporcionan evidencia de que la acumulación de materia en estos tipos de condiciones de alta presión es una fuerza a tener en cuenta".