Моделирование недр гигантских планет открыло новый способ получения алмазов

Уран и Нептун – ледяные гиганты, массивные планеты, состоящие, в основном, из воды, аммиака и метана. Опускаясь все глубже в недра, они подвергаются воздействию огромного давления. Содержащие углерод соединения преобразуются в алмазы, выпадающие своеобразным «дождем». Этот процесс, предсказанный еще в 1970-х, несколько лет назад удалось продемонстрировать в лаборатории, когда Доминик Краус (Dominik Kraus) и его соавторы сжали образец углеводородного полистирола с помощью ударных волн, которые создавали импульсами сверхмощного лазера.

Однако, воспроизводя условия, существующие в недрах ледяных гигантов, ученые упустили один важный компонент, который присутствует там: кислород. Поэтому в своей новой работе Доминик Краус и его коллеги из научно-исследовательского Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф провели аналогичные эксперименты с ПЭТ-пластиком, в составе которого имеются и углерод, и водород, и кислород в подходящих пропорциях. Их результаты представлены в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

Как и прежде, ученые использовали рентгеновский лазер LCLS американской лаборатории SLAC. Его импульсы моментально разогревали образец до 6000 °C, создавая ударные волны. Интерферируя, эти волны порождали участки экстремально высокого давления величиной до 125 ГПа, – как в недрах ледяных гигантов, – в которых и формировались кристаллы алмазов. Физики наблюдали за ними с помощью методов малоуглового рентгеновского рассеяния. Как и ожидали ученые, использование ПЭТ действительно упрощало появление алмазов и увеличивала их количество. Одного импульса было достаточно для создания нескольких миллиардов крошечных кристаллов. Это позволило подтвердить гипотезу об «алмазных дождях» в недрах ледяных гигантов.

Побочным продуктом этого процесса оказался водный лед в суперионной фазе. Кристаллическая решетка такого льда образована атомами кислорода, тогда как ионы водорода могут свободно двигаться по ней. Это делает суперионный лед отличным проводником, благодаря чему он способен участвовать в формировании глобального магнитного поля ледяных гигантов. Ученые полагают, что тот же подход пригодится не только для научных исследований, но и на практике: для получения алмазов из пластиковых отходов.

В самом деле, ПЭТ (полиэтилентерефталат) – один из самых популярных в промышленности полимеров, который используется, например, для изготовления пластиковых бутылок и пищевых контейнеров. Вряд ли все эти объемы получится превратить в алмазы, да и необходимости в этом нет. Однако для целого ряда практических применений ПЭТ может послужить дешевым источником мелких алмазов – например, при производстве абразивных и полирующих материалов, квантовых сенсоров и т.д.