Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Binnenin de reuzenplaneten Uranus en Neptunus worden onder hoge druk minuscule diamantjes gemaakt. Dat kunnen wij ook, dachten wetenschappers.
Het regent diamanten aan de binnenkant van de gasplaneten Uranus en Neptunus. Helaas kunnen we ze niet vangen om er veel geld mee te verdienen. Wel hebben natuurkundigen het nu voor elkaar gekregen het proces op aarde na te bootsen. De benodigdheden: een stukje PET-fles en een krachtige röntgenlaser. Het internationale team, onder leiding van Dominik Kraus van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, schrijft erover in Science Advances.
Lees ook:
Valsspelen
De planeten Uranus en Neptunus zijn niet bepaald vakantieoorden te noemen. Met een paar duizend graden Celsius en een druk van vele miljoenen keren die van de aardatmosfeer zijn de omstandigheden er extreem. Zo extreem dat de atomen koolstof en waterstof er worden samengeperst tot nanodiamanten.
Op aarde is dit natuurlijk lastig na te bootsen. Toch hebben natuurkundigen al verwoede pogingen gedaan. Met krachtige lasers schoten ze toen op een laagje koolwaterstoffen. Hierdoor verkregen ze een vergelijkbare temperatuur en druk als er heerst op de hierboven genoemde planeten. Inderdaad ontstonden er toen nanodiamanten. Maar dit was eigenlijk een beetje valsspelen, want bij deze experimenten was geen zuurstof betrokken. Terwijl zuurstof wel in grote hoeveelheden voorkomt in de atmosfeer van Neptunus en Uranus en waarschijnlijk een rol speelt in de diamantvorming.
Het team van Kraus ging op zoek naar betere kandidaatmaterialen. Het stuitte op een alledaags product: polyethyleentereftalaat (PET), het plastic van flessen. PET bleek precies de juiste verhouding te bevatten aan kool-, water- en zuurstofatomen, zoals dat ook voorkomt op Neptunus en Uranus. Vervolgens werd de proef op de som genomen. De onderzoekers vuurden met de krachtige röntgenlaser Linac Coherent Light Source (op het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS) laserpulsen af op een stukje PET. En inderdaad: er bleken nanodiamanten te groeien onder deze gesimuleerde extreme omstandigheden. Het team kon door te spelen met de kracht en richting van de laserstraal zelfs de uiteindelijke grootte van de diamantjes bepalen.
Katalysator
Verder ontdekten de onderzoekers dat de rol van zuurstof in het hele proces inderdaad belangrijk was. Zuurstof bleek te werken als een reactieversneller: het gas versnelt het splitsen van de bindingen tussen koolstof- en waterstofatomen in de PET. Deze atomen kunnen daardoor sneller meedoen met de diamantvorming.
Sterrenkundige en planeetvormingdeskundige Michiel Hogerheijde van de Universiteit Leiden is onder de indruk van het experiment. “De onderzoekers laten een nieuw scheikundig proces zien dat onder hoge druk nanodiamanten kan maken. Alles wat nodig is, zijn atomen van waterstof, koolstof en zuurstof. Grappig dat de juiste samenstelling hiervan in een PET-fles werd gevonden.”
Quantumsensoren en meer
Dat was niet alles. Kraus en collega’s kregen ook aanwijzingen dat er een heel bijzonder bijproduct ontstond tijdens het experiment: superionisch water, ook wel ‘heet, zwart ijs’ genoemd. Over dit supergeleidende goedje schreven we al eens in KIJK 3 van dit jaar.
Zowel heet, zwart ijs als nanodiamanten komen waarschijnlijk veelvuldig voor in het heelal. Volgens Hogerheijde zijn we nu een stapje dichterbij bij het ontrafelen van het vormingsproces van deze stoffen. Ook vloeien er toepassingen op aarde uit dit onderzoek: via het nieuwe chemische proces kunnen op relatief simpele wijze nanodiamanten worden gemaakt. Die kunnen dan worden ingezet voor de ontwikkeling van onder meer ultragevoelige quantumsensoren, medische contraststoffen (voor MRI-scanning bijvoorbeeld) en reactieversnellers (zoals voor de splitsing van koolstofdioxide).
Bronnen: Science Advances, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf via EurekAlert!
Beeld: © HZDR, Blaurock