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Eine seltsame Form von Niederschlag namens „Diamantregen“, von der lange angenommen wurde, dass sie in den Tiefen eisiger Riesenplaneten auftritt, könnte häufiger auftreten als bisher angenommen.
Ein Forscherteam führte Experimente mit einer Substanz durch, die der ähnlich ist, die in Eisriesen wie den Planeten des Sonnensystems gefunden wird Neptun Und die Uranusund die Entdeckung, dass das Vorhandensein von Sauerstoff die Wahrscheinlichkeit der Diamantbildung erhöht und dass sich Diamanten bei niedrigen Temperaturen und Drücken bilden können.
Dies bedeutet, dass Diamanten in diesen kalten Welten unter einer Vielzahl von Bedingungen wachsen können. Infolgedessen würde dies die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Diamantregen durch das Innere der Eisriesen fällt.
Dieselben Experimente entdeckten auch die Bildung einer seltsamen Wasserform, die helfen könnte, die Magnetfelder von Uranus und Neptun zu erklären, die Astronomen bisher verblüfft haben.
Die Forschung könnte unser Bild von Eisriesen verändern, von denen einige Wissenschaftler theoretisiert haben, dass sie eine der häufigsten Formen von Exoplaneten sind – Exoplaneten. Sonnensystem.
Das Wissenschaftlerteam, dem Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums sowie des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Rostock angehören, baute auf früheren Untersuchungen zu den Bedingungen und Materialien im Inneren der beobachteten Eisriesen auf als sich Diamantregen bildeten.
Neue Forschungsergebnisse sagen voraus, dass Diamanten auf Neptun und Uranus zu großen Größen heranwachsen können, die möglicherweise bis zu Millionen Karat wiegen können.
Eisriesen haben keine feste Oberfläche, werden aber zum Kern hin dichter, was bedeutet, dass Diamanten über Jahrtausende in Eisschichten versinken können. Sie werden beginnen, sich um den festen Kern der Planeten herum anzusammeln und eine dicke Diamantschicht zu bilden.
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Darüber hinaus fand das Team heraus, dass sich zusammen mit dem Diamanten eine neue Wasserphase namens superionisches Wasser bildete, die manchmal als „heißes Glatteis“ bezeichnet wird.
Superionisiertes Wasser existiert bei hohen Temperaturen und Drücken, in denen Wassermoleküle mit Sauerstoffkomponenten dissoziieren, um ein Kristallgitter zu bilden, durch das Wasserstoffkerne frei schweben.
Wasserstoffkerne sind positiv geladen, was bedeutet, dass superionisches Wasser einen elektrischen Strom leiten kann, der Magnetfelder erzeugen kann. Dies könnte die ungewöhnlichen Magnetfelder um Uranus und Neptun erklären.
„Unser Experiment zeigt, wie diese Elemente die Bedingungen verändern können, unter denen sich Diamanten auf Eisriesen bilden“, sagte SLAC-Wissenschaftlerin und Teammitglied Silvia Pandolfi, Er sagte in einer Erklärung. (Öffnet in einem neuen Tab) „Wenn wir Planeten genau modellieren wollen, müssen wir der tatsächlichen Zusammensetzung der inneren Planeten so nahe wie möglich kommen.“
Ein komplexeres Bild der Diamantentstehung
Siegfried Glenzer, Direktor der SLAC-Abteilung für hohe Energiedichte, erklärte, dass die Situation innerhalb von Planeten wie Eisriesen kompliziert sei, da bei der Bildung von Diamanten viele Chemikalien zu berücksichtigen seien.
„In der vorherigen Arbeit hatten wir zum ersten Mal direkt die Bildung von Diamanten aus beliebigen Mischungen gesehen“, sagte Glenzer, „und seitdem gab es viele Experimente mit verschiedenen reinen Materialien. Was wir hier herausfinden wollten, ist was welche Wirkung diese zusätzlichen Chemikalien haben.“
Obwohl das Team seine Experimente mit einem Kunststoff begann, der aus einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoff besteht, Elementen, die üblicherweise in Eisriesen vorkommen, wurde die jüngste Iteration durch PET-Kunststoff ersetzt.
PET ist uns auf der Erde von seiner Verwendung in Verpackungen, Flaschen und Behältern bekannt und kann verwendet werden, um die Bedingungen im Inneren der Eisriesen genauer nachzubilden.
„PET hat ein gutes Gleichgewicht von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, um die Aktivität auf Eisplaneten zu simulieren“, sagte der Physiker Dominic Krause von der Universität Rostock und Professor an der Universität Rostock.
Durch die Erzeugung von Stoßwellen in PET mit einem leistungsstarken optischen Laser – Teil des Instruments Matter in Extreme (MEC) am SLAC – konnte das Team mithilfe von Röntgenimpulsen der Linac Coherent Light Source untersuchen, was im Kunststoff vor sich ging (LCLS).
Dadurch konnten sie beobachten, wie sich die Atome im PET zu rautenförmigen Regionen anordnen, und die Geschwindigkeit messen, mit der diese Regionen wuchsen.
Die Wissenschaftler entdeckten nicht nur die rautenförmigen Regionen, die zu Skalen von einigen Nanometern Breite wuchsen, sondern fanden auch heraus, dass das Vorhandensein von Sauerstoff in PET bedeutete, dass der Nanodiamant bei niedrigeren Drücken und Temperaturen als zuvor beobachtet wuchs.
„Der Sauerstoff beschleunigte die Spaltung von Kohlenstoff und Wasserstoff und förderte so die Bildung von Nanodiamanten“, sagt Krause. „Dadurch können sich die Kohlenstoffatome leichter verbinden und Diamanten bilden.“
Nanodiamanten: Gute Dinge kommen in kleinen Paketen
Die Forschung könnte auf eine neue Methode zur Herstellung von Diamanten mit einer Größe von weniger als 1 Mikrometer hinweisen, bekannt als „Nanodiamant“, die hergestellt werden kann, wenn billige PET-Kunststoffe mit einem lasergetriebenen Stoßdruck getroffen werden.
Benjamin Ofori-Okai, Wissenschaftler am SLAC und Mitarbeiter des Teams, sagte: „Die Art und Weise, wie Nanodiamanten derzeit hergestellt werden, besteht darin, ein Bündel Kohlenstoff oder Diamanten zu nehmen und sie mit Sprengstoff zu sprengen. Dadurch entstehen Nanodiamanten unterschiedlicher Größe und Form, und es ist schwierig, sie herzustellen Kontrolle. Was wir in diesem Experiment sehen, ist eine andere Wechselwirkung derselben Art unter hohem Druck und hoher Temperatur.“
Ofori-Okai fügte hinzu, dass die Laserproduktion eine sauberere und leichter kontrollierbare Methode zur Herstellung von Nanodiamanten bieten könnte. „Wenn wir Wege finden können, einige der Dinge an der Reaktion zu ändern, können wir ändern, wie schnell sie sich bilden und damit ihre Größe“, fuhr er fort.
Nanomaterialien haben eine Fülle potenzieller Anwendungen in der Medizin, darunter Arzneimittelabgabe, nicht-invasive Chirurgie und medizinische Sensoren, sowie im wachsenden Bereich der Quantentechnologie. Das bedeutet, dass die Ergebnisse der Wissenschaftler große Auswirkungen haben könnten, die möglicherweise näher an der Heimat liegen als die Eisriesen, die in den Außenbezirken des Sonnensystems liegen.
Wissenschaftler, die an dieser Forschung beteiligt sind, werden nun versuchen, Experimente mit flüssigen Proben durchzuführen, die Chemikalien wie Ethanol, Wasser und Ammoniak enthalten, einige der Hauptbestandteile von Eisriesen, um ein besseres Bild davon zu bekommen, was unter der kalten Atmosphäre dieser kalten Welten passiert .
„Die Tatsache, dass wir diese extremen Bedingungen nachstellen können, um zu sehen, wie diese Prozesse in sehr schnellen und sehr kleinen Maßstäben ablaufen, ist aufregend“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Nicholas Hartley. „Das Hinzufügen von Sauerstoff bringt uns näher als je zuvor, das vollständige Bild dieser planetaren Prozesse zu sehen, aber es gibt noch viel zu tun.
„Es ist ein Schritt auf dem Weg, die realistischste Mischung zu erhalten und zu sehen, wie sich diese Materialien auf anderen Planeten wirklich verhalten.“
Die Forschung des Teams wird in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftlicher Fortschritt (Öffnet in einem neuen Tab).
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