Um novo estudo descobriu que a "chuva de diamante", um tipo exótico de precipitação em planetas gigantes de gelo, pode ser mais comum do que se pensava anteriormente.
Em um experimento anterior, os pesquisadores imitaram as temperaturas e pressões extremas encontradas nas profundezas dos gigantes de gelo Netuno e Urano e, pela primeira vez, observaram a chuva de diamantes à medida que se formavam.

Investigando esse processo em um novo material que se assemelha mais à composição química de Netuno e Urano, cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e seus colegas descobriram que a presença de oxigênio torna a formação de diamantes mais provável, permitindo que eles se formem e cresçam em uma ampla gama de condições e em mais planetas.

O novo estudo fornece uma imagem mais completa de como a chuva de diamantes se forma em outros planetas e, aqui na Terra, pode levar a uma nova maneira de fabricar nanodiamantes, que têm uma ampla gama de aplicações na entrega de medicamentos, sensores médicos, cirurgia não invasiva, fabricação sustentável e eletrônica quântica.

"O artigo anterior foi a primeira vez que vimos diretamente a formação de diamantes de qualquer mistura", disse Siegfried Glenzer, diretor da Divisão de Densidade de Alta Energia do SLAC. "Desde então, tem havido muitos experimentos com diferentes materiais puros. Mas dentro dos planetas, é muito mais complicado; há muito mais produtos químicos na mistura. E então, o que queríamos descobrir aqui era que tipo de efeito que esses produtos químicos adicionais têm."

A equipe, liderada pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e pela Universidade de Rostock na Alemanha, bem como pela École Polytechnique da França em colaboração com o SLAC, publicou os resultados hoje na revista Science Advances .

Começando com plástico

No experimento anterior, os pesquisadores estudaram um material plástico feito de uma mistura de hidrogênio e carbono, componentes-chave da composição química geral de Netuno e Urano. Mas, além de carbono e hidrogênio, os gigantes de gelo contêm outros elementos, como grandes quantidades de oxigênio.

No experimento mais recente, os pesquisadores usaram plástico PET – frequentemente usado em embalagens de alimentos, garrafas plásticas e recipientes – para reproduzir a composição desses planetas com mais precisão.

“O PET tem um bom equilíbrio entre carbono, hidrogênio e oxigênio para simular a atividade em planetas de gelo”, disse Dominik Kraus, físico da HZDR e professor da Universidade de Rostock.

O oxigênio é o melhor amigo de um diamante

Os pesquisadores usaram um laser óptico de alta potência no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) da Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC para criar ondas de choque no PET. Em seguida, eles investigaram o que aconteceu no plástico com pulsos de raios-X do LCLS.

Usando um método chamado difração de raios-X, eles observaram os átomos do material se reorganizarem em pequenas regiões de diamante. Eles usaram simultaneamente outro método chamado espalhamento de pequeno ângulo, que não havia sido usado no primeiro artigo, para medir o quão rápido e grande essas regiões cresciam. Usando esse método adicional, eles foram capazes de determinar que essas regiões de diamante cresciam até alguns nanômetros de largura. Eles descobriram que, com a presença de oxigênio no material, os nanodiamantes foram capazes de crescer a pressões e temperaturas mais baixas do que as observadas anteriormente.

"O efeito do oxigênio foi acelerar a divisão do carbono e do hidrogênio e, assim, estimular a formação de nanodiamantes", disse Kraus. "Isso significava que os átomos de carbono poderiam se combinar mais facilmente e formar diamantes."

Planetas congelados

Os pesquisadores prevêem que os diamantes em Netuno e Urano se tornariam muito maiores do que os nanodiamantes produzidos nesses experimentos – talvez milhões de quilates em peso. Ao longo de milhares de anos, os diamantes podem afundar lentamente através das camadas de gelo dos planetas e se reunir em uma espessa camada de bling ao redor do núcleo planetário sólido.

A equipe também encontrou evidências de que, em combinação com os diamantes, a água superiônica também pode se formar. Esta fase da água recentemente descoberta, muitas vezes descrita como "gelo preto e quente", existe em temperaturas e pressões extremamente altas. Nessas condições extremas, as moléculas de água se separam e os átomos de oxigênio formam uma rede cristalina na qual os núcleos de hidrogênio flutuam livremente. Como esses núcleos flutuantes são eletricamente carregados, a água superiônica pode conduzir corrente elétrica e pode explicar os campos magnéticos incomuns em Urano e Netuno.

As descobertas também podem afetar nossa compreensão dos planetas em galáxias distantes, já que os cientistas agora acreditam que os gigantes do gelo são a forma mais comum de planeta fora do nosso sistema solar.

“Sabemos que o núcleo da Terra é predominantemente feito de ferro, mas muitos experimentos ainda estão investigando como a presença de elementos mais leves pode alterar as condições de fusão e transições de fase”, disse a cientista e colaboradora do SLAC Silvia Pandolfi. "Nosso experimento demonstra como esses elementos podem mudar as condições em que os diamantes estão se formando em gigantes de gelo. Se queremos modelar planetas com precisão, precisamos chegar o mais próximo possível da composição real do interior do planeta."

Diamantes em bruto

A pesquisa também indica um caminho potencial para a produção de nanodiamantes por compressão de choque a laser de plásticos PET baratos. Embora já estejam incluídas em abrasivos e agentes de polimento, no futuro, essas pequenas gemas podem ser usadas para sensores quânticos, agentes de contraste médico e aceleradores de reação para energia renovável.

“A maneira como os nanodiamantes são feitos atualmente é pegando um monte de carbono ou diamante e explodindo-os com explosivos”, disse o cientista e colaborador do SLAC Benjamin Ofori-Okai. "Isso cria nanodiamantes de vários tamanhos e formas e é difícil de controlar. O que estamos vendo neste experimento é uma reatividade diferente da mesma espécie sob alta temperatura e pressão. Em alguns casos, os diamantes parecem estar se formando mais rápido do que outros. , o que sugere que a presença desses outros produtos químicos pode acelerar esse processo. A produção de laser pode oferecer um método mais limpo e mais fácil de controlar para produzir nanodiamantes. Se pudermos projetar maneiras de mudar algumas coisas sobre a reatividade, podemos mudar a rapidez com que eles forma e, portanto, quão grande eles ficam."

Em seguida, os pesquisadores estão planejando experimentos semelhantes usando amostras líquidas contendo etanol, água e amônia – do que Urano e Netuno são feitos principalmente – o que os aproximará ainda mais de entender exatamente como a chuva de diamantes se forma em outros planetas.

“O fato de podermos recriar essas condições extremas para ver como esses processos se desenrolam em escalas muito rápidas e muito pequenas é emocionante”, disse o cientista e colaborador do SLAC Nicholas Hartley. "A adição de oxigênio nos aproxima mais do que nunca de ver a imagem completa desses processos planetários, mas ainda há mais trabalho a ser feito. É um passo no caminho para obter a mistura mais realista e ver como esses materiais realmente se comportam em outros planetas. " + Explorar mais

Cientistas criam 'chuva de diamante' que se forma no interior de planetas gigantes gelados