Une nouvelle étude a révélé que la «pluie de diamants», un type de précipitations exotiques supposé depuis longtemps sur les planètes géantes de glace, pourrait être plus courante qu’on ne le pensait auparavant.
Dans une expérience antérieure, les chercheurs ont imité les températures et les pressions extrêmes trouvées au plus profond des géantes de glace Neptune et Uranus et, pour la première fois, ont observé une pluie de diamants au fur et à mesure de sa formation.
En étudiant ce processus dans un nouveau matériau qui ressemble plus à la composition chimique de Neptune et d’Uranus, des scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et leurs collègues ont découvert que la présence d’oxygène rend la formation de diamants plus probable, leur permettant de se former et de grandir. dans un plus large éventail de conditions et sur plus de planètes.
La nouvelle étude fournit une image plus complète de la façon dont la pluie de diamants se forme sur d’autres planètes et, ici sur Terre, pourrait conduire à une nouvelle façon de fabriquer des nanodiamants, qui ont un très large éventail d’applications dans l’administration de médicaments, les capteurs médicaux, la chirurgie non invasive, la fabrication durable et l’électronique quantique.
« L’article précédent était la première fois que nous voyions directement la formation de diamants à partir de n’importe quel mélange », a déclaré Siegfried Glenzer, directeur de la division High Energy Density au SLAC. « Depuis lors, il y a eu pas mal d’expériences avec différents matériaux purs. Mais à l’intérieur des planètes, c’est beaucoup plus compliqué ; il y a beaucoup plus de produits chimiques dans le mélange. Et donc, ce que nous voulions comprendre ici, c’était quelle sorte de l’effet que ces produits chimiques supplémentaires ont. »
L’équipe, dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et l’Université de Rostock en Allemagne, ainsi que l’École polytechnique française en collaboration avec le SLAC, a publié les résultats aujourd’hui dans Avancées scientifiques.
A commencer par le plastique
Dans l’expérience précédente, les chercheurs ont étudié une matière plastique faite d’un mélange d’hydrogène et de carbone, composants clés de la composition chimique globale de Neptune et d’Uranus. Mais en plus du carbone et de l’hydrogène, les géantes de glace contiennent d’autres éléments, comme de grandes quantités d’oxygène.
Dans l’expérience la plus récente, les chercheurs ont utilisé du plastique PET, souvent utilisé dans les emballages alimentaires, les bouteilles en plastique et les récipients, pour reproduire plus précisément la composition de ces planètes.
« Le PET a un bon équilibre entre le carbone, l’hydrogène et l’oxygène pour simuler l’activité des planètes de glace », a déclaré Dominik Kraus, physicien au HZDR et professeur à l’Université de Rostock.
L’oxygène est le meilleur ami du diamant
Les chercheurs ont utilisé un laser optique de haute puissance sur l’instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) de la Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC pour créer des ondes de choc dans le PET. Ensuite, ils ont sondé ce qui s’est passé dans le plastique avec des impulsions de rayons X du LCLS.
À l’aide d’une méthode appelée diffraction des rayons X, ils ont observé les atomes du matériau se réorganiser en petites régions de diamant. Ils ont simultanément utilisé une autre méthode appelée diffusion aux petits angles, qui n’avait pas été utilisée dans le premier article, pour mesurer la vitesse et la taille de ces régions. En utilisant cette méthode supplémentaire, ils ont pu déterminer que ces régions de diamant atteignaient quelques nanomètres de large. Ils ont découvert qu’avec la présence d’oxygène dans le matériau, les nanodiamants pouvaient se développer à des pressions et des températures inférieures à celles observées précédemment.
« L’effet de l’oxygène était d’accélérer la séparation du carbone et de l’hydrogène et ainsi d’encourager la formation de nanodiamants », a déclaré Kraus. « Cela signifiait que les atomes de carbone pouvaient se combiner plus facilement et former des diamants. »
Planètes glacées
Les chercheurs prédisent que les diamants sur Neptune et Uranus deviendraient beaucoup plus gros que les nanodiamants produits dans ces expériences – peut-être des millions de carats en poids. Pendant des milliers d’années, les diamants pourraient couler lentement à travers les couches de glace des planètes et s’assembler en une épaisse couche de bling autour du noyau planétaire solide.
L’équipe a également trouvé des preuves que, en combinaison avec les diamants, de l’eau superionique pourrait également se former. Cette phase de l’eau récemment découverte, souvent décrite comme de la « glace noire chaude », existe à des températures et des pressions extrêmement élevées. Dans ces conditions extrêmes, les molécules d’eau se séparent et les atomes d’oxygène forment un réseau cristallin dans lequel les noyaux d’hydrogène flottent librement. Parce que ces noyaux flottants sont chargés électriquement, l’eau superionique peut conduire le courant électrique et pourrait expliquer les champs magnétiques inhabituels sur Uranus et Neptune.
Les découvertes pourraient également avoir un impact sur notre compréhension des planètes dans les galaxies lointaines, puisque les scientifiques pensent maintenant que les géantes de glace sont la forme la plus courante de planète en dehors de notre système solaire.
« Nous savons que le noyau de la Terre est principalement composé de fer, mais de nombreuses expériences étudient encore comment la présence d’éléments plus légers peut modifier les conditions de fusion et de transition de phase », a déclaré Silvia Pandolfi, scientifique et collaboratrice du SLAC. « Notre expérience démontre comment ces éléments peuvent modifier les conditions dans lesquelles les diamants se forment sur les géantes de glace. Si nous voulons modéliser avec précision les planètes, nous devons nous rapprocher le plus possible de la composition réelle de l’intérieur planétaire. »
Diamants bruts
La recherche indique également une voie à suivre potentielle pour la production de nanodiamants par compression par choc laser de plastiques PET bon marché. Bien qu’elles soient déjà incluses dans les abrasifs et les agents de polissage, à l’avenir, ces minuscules pierres précieuses pourraient potentiellement être utilisées pour les capteurs quantiques, les agents de contraste médicaux et les accélérateurs de réaction pour les énergies renouvelables.
« La façon dont les nanodiamants sont actuellement fabriqués consiste à prendre un tas de carbone ou de diamant et à le faire exploser avec des explosifs », a déclaré Benjamin Ofori-Okai, scientifique et collaborateur du SLAC. « Cela crée des nanodiamants de différentes tailles et formes et est difficile à contrôler. Ce que nous voyons dans cette expérience est une réactivité différente de la même espèce à haute température et pression. Dans certains cas, les diamants semblent se former plus rapidement que d’autres. , ce qui suggère que la présence de ces autres produits chimiques peut accélérer ce processus. La production de laser pourrait offrir une méthode plus propre et plus facilement contrôlée pour produire des nanodiamants. Si nous pouvons concevoir des moyens de changer certaines choses concernant la réactivité, nous pouvons changer la rapidité avec laquelle ils forme et donc quelle taille ils obtiennent. »
Ensuite, les chercheurs prévoient des expériences similaires utilisant des échantillons liquides contenant de l’éthanol, de l’eau et de l’ammoniac – dont Uranus et Neptune sont principalement constitués – ce qui les rapprochera encore plus de la compréhension exacte de la formation de la pluie de diamants sur d’autres planètes.
« Le fait que nous puissions recréer ces conditions extrêmes pour voir comment ces processus se déroulent à des échelles très rapides et très petites est passionnant », a déclaré le scientifique et collaborateur du SLAC, Nicholas Hartley. « L’ajout d’oxygène nous rapproche plus que jamais de l’image complète de ces processus planétaires, mais il reste encore du travail à faire. C’est une étape sur la route pour obtenir le mélange le plus réaliste et voir comment ces matériaux se comportent réellement sur d’autres planètes. »
Zhiyu He et al, Cinétique de formation de diamants dans des échantillons CHO comprimés par choc enregistrés par diffusion de rayons X aux petits angles et diffraction des rayons X, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abo0617. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0617