Если рассматривать нашу планету с точки зрения «хардкорности», то она довольно скучна. Наши соседи по Солнечной системе напротив отличаются крайне необычными характеристиками. К примеру, бытует мнение, что на Уране и Нептуне идут алмазные дожди. Звучит это одновременно неправдоподобно и заманчиво. Ученые из исследовательского центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (Дрезден, Германия) попытались сымитировать в лаборатории условия на Уране или Нептуне. В результате они смогли не только подтвердить тезис про драгоценные дожди, но и создать нанобриллианты из обыкновенного пластика. Как ученые возсоздали условия далеких планет в стенах лаборатории, какие именно опыты проводили, и где могут пригодиться созданные ими нанобриллианты? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Если поиски планеты, подобной Земле, это достаточно сложная задача, то вот ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран, в нашей галактике достаточно много. Считается, что внутренности этих небесных тел в основном состоят из плотной жидкой смеси воды, метана и аммиака. Из-за высоких давлений и температур глубоко внутри этих планет смесь материалов подвергается постоянным химическим реакциям и структурным переходам.

Примером таких реакций является возможная диссоциация углеводородов и последующее разделение фаз с образованием алмазов и предположительно металлического водорода или суперионной воды. Это может быть источником тепла и быть объяснением для уникальных магнитных полей, смоделированных для ледяных гигантов.

Недавние эксперименты с лазерным ударом на полистироле [(C₈H₈)_n] в сочетании с рентгеновскими методами предоставили первое доказательство образования алмазов в сжатых углеводородах в планетарных состояниях.

Однако, как отмечают ученые, для дальнейших выводов о процессах внутри ледяных гигантов необходимо учитывать наличие воды и, следовательно, большого количества кислорода. Таким образом, исследование образцов C─H─O обеспечивает более реалистичный сценарий, чем изучение чистых углеводородных или водных систем. Отделение углерода от H₂O, вероятно, необходимо для того, чтобы суперионная фаза воды присутствовала внутри Нептуна и/или Урана. Если бы углерод образовывал связи с кислородом, такие структуры, которые могли бы помочь объяснить специфическое магнитное поле, наблюдаемое для обеих планет, могли бы быть подавлены.

Крайне полезным и важным инструментом в имитации недр планет стал рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL от x-ray free-electron laser). В то время как рентгеновская дифракция (XRD от x-ray diffraction) идентифицирует кристаллические и жидкие корреляции на уровне ангстрем, малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS от small-angle x-ray scattering) чувствительно к размерам элементов порядка от 1 до 100 нм.

Следовательно, объединение SAXS и XRD в одном эксперименте может позволить провести более точные измерения распределения размера наноалмазов и процесса образования, инициированного внутри пластиковых образцов. А это в свою очередь обеспечивает прямой доступ к кинетике реакции разделения углерод-водородной фазы, относящейся к недрам планет.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают распределение по размерам и процесс роста наноалмазов, созданных из ударно-сжатого полиэтилентерефталата [(C₁₀H₈O₄)_n, стехиометрически представляющий собой смесь углерода и H₂O]. Для этого была проведена последовательная характеризация с помощью XRD и SAXS на двух разных установках XFEL, что показывает важность P-T (давление-температура) состояния для кинетики алмазообразования.

Результаты экспериментов

Эксперименты были проведены на двух разных установках XFEL: на конечной станции MEC (Matter in Extreme Conditions) линейного когерентного источника света (LCLS от Linac Coherent Light Source) Национальной ускорительной лаборатории SLAC (изображение №1) и на SPring-8 Angstrom Compact free electron Laser (SACLA).


Изображение №1

В LCLS структурные изменения и изменения плотности сжатого ПЭТ (полиэтилентерефталат) можно наблюдать с помощью рентгеновской дифракции и SAXS in situ с импульсом LCLS с энергией фотонов 9.5 кэВ и длительностью 50 фс.

Детекторы XRD и SAXS регистрировали однофотонные события, а данные интегрировались по азимуту после маскирования диафрагмы и паразитного рассеяния.

На изображении выше показаны примеры изображений необработанных данных из XRD и SAXS из PET в условиях окружающей среды и в состоянии обработки лазером.


Изображение №2

На изображении выше показана временная эволюция 100-мкм образцов ПЭТ, подвергнутых ударному сжатию до ~100 ГПа при LCLS, в виде необработанных XRD данных и SAXS данных с соответствующими интегрированными по азимуту линиями. Индивидуальные давления определяли путем измерения скорости удара и использования известной кривой Гюгонио для ПЭТ.

На каждой рентгенограмме (111) пик алмаза, показанный заштрихованной областью, был смоделирован как приблизительно лоренцевский, в то время как приведенный ниже сигнал получается из вклада жидкой смеси C─H─O, который хорошо представлен гауссианом на диапазон k ниже алмазного пика.

Из-за экспериментальной геометрии отношение сигнала к фону (220) пика алмаза существенно ниже, чем для (111) отражения. Поскольку (220) пик также находится поверх пика жидкостной корреляции, вклад твердой фазы трудно количественно отличить от фона. Таким образом, при анализе характеристик образования наноалмазов основное внимание уделялось более заметному (111) пику.

Для определения центра и ширины ромбовидного (111) пика использовалась лоренцевская подгонка. Затем была применена формула Шеррера (22) для оценки минимального размера кристаллитов в несколько нанометров на основе ширины брэгговского пика алмаза около 0.2 Å^-1. Это значение значительно меньше, чем ширина пика жидкой смеси (1-2 Å^-1). При таком четком разделении признаков доля алмаза (абсолютное количество атомов углерода в ударно сжатой ПЭТ-пленке, оказавшихся в алмазных решетках) оценивалась по интегралу пика алмаза между пиком жидкости и экспериментальными данными. Площадь пика алмазной дифракции увеличивается со временем протекания процесса сжатия до прорыва ударной волны на тыльной стороне образца. Плотность сжатого алмаза составила 3.87 г/см³.

Площадь алмазного пика переставала увеличиваться после прорыва ударной волны, а положение пика возвращалось к более низкому q (~3.06 Å^-1), поскольку кристаллиты релаксировали до плотности окружающей среды. В SAXS наблюдалось существенное увеличение общей интенсивности рассеяния для прогрессирующей ударной волны, когда данные XRD показывали образование алмаза.


Изображение №3

SAXS сигналы, полученные детектором, предполагают распределение наночастиц по размерам. На графике выше показано это распределение, полученное из SAXS линий на 2С. Было установлено, что радиус частиц увеличивался с 1.6 до 2 нм с увеличением времени задержки между лазером и рентгеновским зондом.

Образцы ПЭТ подвергались воздействию различных ударных давлений путем изменения энергии импульса лазера для исследования влияния давления и температуры на образование алмазов в сжатых образцах C─H─O. По данным XRD и SAXS при давлении ниже 74 ГПа образование алмазов не наблюдалось.

В диапазоне от 74 до 125 ГПа начинали проглядываться признаки образования алмазов. При этом верхнем пределе давления (125 ГПа) температуры приближались к линии плавления алмаза, достигая примерно 6000 К.

Ученые также отмечают наличие четкой корреляции между SAXS интенсивностью во время распространения ударной волны и наличием алмазов, зафиксированных XRD. Более того, данные обоих методов анализа SAXS постоянно свидетельствовали о том, что размеры частиц наноалмазов увеличиваются с увеличением давления.

Объяснить это можно тем, что высокое давление способствует и ускоряет рост размера частиц, что приводит к большему размеру при более высоком давлении. Это подтверждается рентгеновскими методами при распространении ударных волн различной интенсивности через образцы одинаковой толщины.

Выводы ученых

Используя XRD, ученые смогли подтвердить образование алмазов из сжатого ПЭТ в экспериментах с лазерным воздействием. Данные SAXS содержали сигналы, которые четко указывали на образование алмазов нанометрового масштаба. Эти результаты были получены для различных материалов и различных установок (LCLS и SACLA).


Изображение №4

На графике выше показаны результаты ударно-сжатого ПЭТ вместе с предыдущими данными PS, моделями недр планет, теоретическими предсказаниями для плавления алмазов, разделением фаз C─H, а также предполагаемым изолятор-металл переходом водорода.

Точки, в которых наблюдалось образование алмазов в пластмассах, отмечены ромбами в области, заштрихованной фиолетовым цветом. Эта область совпадает с предсказанными изоэнтропами Урана и Нептуна, но немного выше по температуре, чем более поздние модели, и немного совпадает с изоэнтропой Юпитера.

Также отмечается, что результаты P-T условий примерно согласуются с изолятор-металл переходом жидкого водорода. Однако различия между результатами PS и ПЭТ указывают на существенное влияние исходного состава на химический процесс в экстремальных условиях. В этом случае данное исследование показывает, что присутствие кислорода поддерживает образование алмазов, которое, следовательно, может происходить внутри планет соответствующего состава. Если бы углерод окислялся, образование алмазов в проведенном эксперименте было бы меньше по сравнению с данными чистого C─H. Поскольку наблюдается обратное, можно сделать вывод, что кислород способствует, а не препятствует разделению C─H. Последующее осаждение углерода может действовать как источник тепла внутри ледяных гигантов, что приводит к образованию слоя, богатого углеродом, вокруг ядра. Углерод, отделяющийся от H и O, также увеличивает вероятность присутствия областей суперионной воды и/или металлического водорода внутри ледяных гигантов, что может помочь объяснить специфические магнитные поля, наблюдаемые у этих планет.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Данный труд продемонстрировал, что одновременное использование рентгеновских методов в экспериментах по динамическому сжатию на установках XFEL обеспечивает новый взгляд на химию глубоко внутри планет. Это может значительно помочь в понимании не только планет нашей Солнечной системы, но и множества экзопланет, обнаруженных в других звездных системах.

В частности, продемонстрированная экспериментальная платформа может быть использована для исследования различных смесей легких элементов для получения наиболее полной картины химических процессов в ледяных гигантах.

Не менее важным является и факт образования наноалмазов из ПЭТ. По мнению ученых, правильно настроенные современные лазерные системы могут производить большое количество наноалмазов из дешевого пластика. По задумке ученых, лазерная установка может производить, к примеру, десять вспышек в секунду на ПЭТ-пленку, которая освещается лучом с интервалом в одну десятую секунды. Созданные таким образом наноалмазы вылетают из пленки и попадают в резервуар, наполненный водой. Важным преимуществом такого метода является «кастомизация» алмазов — их размер и форма могут быть заданы заранее, их также можно будет легировать другими атомами, наделяя желаемыми физико-химическими свойствами. Такое производство будет крайне полезно, учитывая, что наноалмазы могут использоваться для создания высокочувствительных квантовых сенсоров, медицинских контрастных веществ и эффективных ускорителей реакций (например, для расщепления СО₂).

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?