科学家用激光爆破塑料,把它变成微小的钻石和一种新型水

受海王星和天王星等冰巨星启发的新研究表明,激光可以将普通塑料转化为微小的钻石。

用高能激光冲击的塑料产生具有一系列技术的纳米金刚石
用高能激光冲击的塑料产生具有一系列技术的纳米金刚石

科学家们使用超强激光爆破廉价塑料并将其转化为微小的“纳米金刚石”——并由此证实了一种奇异的新型水的存在。 .

这些发现可能会揭示我们太阳系中冰巨星上存在钻石雨,并解释为什么这些寒冷的世界有如此奇怪的磁场。 激光爆破技术也可能导致更多的地球应用。

纳米金刚石是尺寸仅为几纳米或十亿分之一米的金刚石。 该研究的共同作者、德国亥姆霍兹中心德累斯顿罗森多夫的物理学家多米尼克克劳斯说,它们既有现有的应用,也有潜在的应用,例如将二氧化碳转化为其他气体并将药物输送到体内。

“纳米金刚石还可以用作温度和磁场的超小型和非常精确的量子传感器,这可能会导致大量应用,”克劳斯说。

他说,这项技术还可以通过创造经济激励来清除和转化海洋中的塑料,从而减少塑料污染。

对冰巨行星有很酷影响的实验

多年来,行星科学家一直怀疑钻石是在海王星和天王星等冰巨星寒冷的内部形成的。

如果这些钻石真的形成了,它们就会在这些冰冻世界的内部“下雨”。

为了确定这个过程是否可行,研究人员取了一块聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 塑料——这种塑料瓶中的类型——并使用了在 SLAC 国家加速器实验室的极端条件下的物质仪器中发现的高功率光学激光器。直线加速器相干光源将塑料加热到大约 10,000 华氏度(6,000 摄氏度)。

这在十亿分之一秒内产生了比地球大气层大数百万倍的压力。这种粉碎骨头的压力冲击了塑料,导致塑料中的碳原子重新配置成晶体结构,氢和氧在这个晶格中漂移。

“使用强大的 X 射线激光,我们可以观察样品内部并制作那里发生的化学反应的电影,”克劳斯说。 “在我们的实验时间范围内,我们看到压缩塑料内部非常有效地形成了纳米金刚石  –  只需几纳秒。”

构成普通塑料瓶的日常塑料可以用激光冲击以产生有价值的纳米金刚石。 (图片来源:罗伯特·李/马里奥·萨托)
构成普通塑料瓶的日常塑料可以用激光冲击以产生有价值的纳米金刚石。 (图片来源:罗伯特·李/马里奥·萨托)

新的研究表明,这种类型的钻石形成可能比科学家之前认为的更常见,这增加了冰巨星在其实心核心周围运动厚层钻石的可能性。

该实验还强烈表明,在这种冰冷世界内部发现的高温和高压下,会出现一种奇异的水状态,称为超离子水冰。

这种奇怪的水形式允许质子穿过氧原子晶格。克劳斯说,如果这种超离子水存在于天王星和海王星等冰巨星上,质子通过这种奇异物质的运动可能有助于产生在这些行星上观察到的特殊磁场。

过去的计算表明,可能在行星内部发现的碳原子会使在那里形成的任何超离子水都非常不稳定。

但是“我们的实验现在表明,碳和水正在通过钻石形成分层[混合物中物质的意外分离],”克劳斯说。 “因此,行星内部可能存在孤立的水,这使得超离子水的形成更有可能。”

很快就有可能有一艘宇宙飞船访问我们冰冷的邻居,看看那里是否真的存在钻石雨和异国情调的水。

“希望在未来十年内,将向天王星发射一个新的美国宇航局太空探测器,正如十年调查所定义的最高优先级,”克劳斯说。

这些发现还可能有更多的商业应用。目前,人们通过引爆碳或用炸药将较大的钻石炸成小块来制造纳米钻石,从而制造出不同大小钻石的大杂烩。克劳斯说,新方法将是制造特定尺寸钻石的一种更清洁的方法。

该团队的研究于 9 月 2 日发表在《科学进展》杂志上。

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