Dans l’expérience, une fine feuille de plastique PET simple a été cuite à l’aide d’un laser. De puissants éclairs laser qui frappent un échantillon d’un matériau semblable à une feuille le chauffent brièvement jusqu’à 6000 degrés Celsius, générant ainsi une onde de choc qui comprime le matériau à des millions de pression atmosphérique pendant quelques nanosecondes. Les scientifiques ont pu déterminer que les minuscules diamants, les soi-disant nanodiamants, se sont formés sous une pression extrême. Crédit : HZDR/Blaurock
L’équipe de recherche utilise des flashs laser pour reproduire l’intérieur des planètes glacées, inspirant une nouvelle méthode de production de minuscules diamants.
Que se passe-t-il à l’intérieur des planètes comme Uranus et Neptune ? Une expérience innovante a été menée pour le découvrir par une équipe mondiale dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), l’Université de Rostock et l’École Polytechnique de France. Ils ont utilisé des flashs laser intenses pour étudier ce qui s’est passé lorsqu’ils ont tiré un laser sur une fine feuille de plastique PET simple.
En conséquence, les scientifiques ont pu étayer leur hypothèse antérieure selon laquelle les diamants pleuvent vraiment à l’intérieur des géantes de glace à la périphérie de notre système solaire. Un autre était que cette technique fournirait une toute nouvelle approche pour fabriquer des nanodiamants, qui sont nécessaires, par exemple, dans les capteurs quantiques très sensibles. Les découvertes de l’équipe ont été récemment publiées dans Science Advances.
Des conditions extrêmes se produisent à l’intérieur de grandes planètes glacées comme Neptune et Uranus, avec des pressions des millions de fois plus élevées que sur Terre et des températures pouvant atteindre plusieurs milliers de degrés Celsius. Cependant, des états comme ceux-ci peuvent être brièvement reproduits en laboratoire en utilisant des flashs laser intenses pour frapper un échantillon d’un matériau semblable à un film, le chauffer à 6 000 degrés Celsius en un clin d’œil et créer une onde de choc qui comprime le matériau. à un million de fois la pression atmosphérique pendant quelques nanosecondes.
« Jusqu’à présent, nous utilisions des films d’hydrocarbures pour ce genre d’expériences », explique Dominik Kraus, physicien au HZDR et professeur à l’université de Rostock. « Et nous avons découvert que cette pression extrême produisait de minuscules diamants, appelés nanodiamants. »
Cependant, comme les géantes de glace contiennent également des quantités importantes d’oxygène, en plus du carbone et de l’hydrogène, elle n’a pu reproduire que partiellement l’intérieur des planètes à l’aide de ces films. En cherchant un matériau de film approprié, les chercheurs sont tombés sur une substance de tous les jours : le PET, la résine utilisée pour fabriquer des bouteilles en plastique ordinaires.
« Le PET a un bon équilibre entre le carbone, l’hydrogène et l’oxygène pour simuler l’activité des planètes de glace », explique Kraus.
L’équipe a effectué ses recherches à l’aide du Linac Coherent Light Source (LCLS), un puissant laser à rayons X basé sur un accélérateur, au SLAC National Accelerator Laboratory en Californie. Ils l’ont utilisé pour analyser ce qui se passe lorsque de puissants flashs laser frappent un film PET tout en utilisant simultanément deux techniques de mesure : la diffraction des rayons X pour détecter si des nanodiamants ont été créés et la diffusion dite aux petits angles pour voir à quelle vitesse et quelle taille les diamants ont poussé. .
L’oxygène facilite le processus
« L’effet de l’oxygène était d’accélérer la séparation du carbone et de l’hydrogène et d’encourager ainsi la formation de nanodiamants », explique Dominik Kraus, faisant état des résultats. « Cela signifiait que les atomes de carbone pouvaient se combiner plus facilement et former des diamants. » Cela confirme davantage l’hypothèse selon laquelle il pleut littéralement des diamants à l’intérieur des géants de glace. Les découvertes ne sont probablement pas seulement pertinentes pour Uranus et Neptune, mais également pour d’innombrables autres planètes de notre galaxie. Alors que ces géantes de glace étaient autrefois considérées comme des raretés, il semble maintenant clair qu’elles sont probablement la forme la plus courante de planètes en dehors du système solaire.
L’équipe a également rencontré des indices d’un autre type : en combinaison avec les diamants, de l’eau devrait être produite – mais dans une variante inhabituelle. « De l’eau dite superionique peut s’être formée », estime Kraus. « Les atomes d’oxygène forment un réseau cristallin dans lequel les noyaux d’hydrogène se déplacent librement. » Parce que les noyaux sont chargés électriquement, l’eau superionique peut conduire le courant électrique et ainsi aider à créer le champ magnétique des géantes de glace. Dans leurs expériences, cependant, le groupe de recherche n’a pas encore été en mesure de prouver sans équivoque l’existence d’eau superionique dans le mélange avec des diamants. Cela devrait se produire en étroite collaboration avec l’Université de Rostock à l’European XFEL à Hambourg, le laser à rayons X le plus puissant au monde. Le HZDR y dirige le consortium international d’utilisateurs HIBEF qui offre des conditions idéales pour des expériences de ce type.
Usine de précision pour les nanodiamants
Outre ces connaissances plutôt fondamentales, la nouvelle expérience ouvre également des perspectives pour une application technique : la production sur mesure de diamants de taille nanométrique, qui sont déjà inclus dans les abrasifs et les agents de polissage. À l’avenir, ils sont censés être utilisés comme capteurs quantiques hautement sensibles, agents de contraste médicaux et accélérateurs de réaction efficaces, pour la séparation
CO2 par exemple. « Jusqu’à présent, les diamants de ce type ont été principalement produits en faisant exploser des explosifs », explique Kraus. « Avec l’aide de flashs laser, ils pourraient être fabriqués de manière beaucoup plus propre à l’avenir. »
La vision des scientifiques : un laser haute performance déclenche dix éclairs par seconde sur un film PET qui est éclairé par le faisceau à des intervalles d’un dixième de seconde. Les nanodiamants ainsi créés jaillissent du film et atterrissent dans un bac collecteur rempli d’eau. Là, ils sont ralentis et peuvent ensuite être filtrés et récoltés efficacement. L’avantage essentiel de cette méthode par rapport à la production par explosifs est que « les nanodiamants pourraient être taillés sur mesure en termes de taille ou même être dopés avec d’autres atomes », souligne Dominik Kraus. « Le laser à rayons X signifie que nous avons un outil de laboratoire qui peut contrôler avec précision la croissance des diamants. »
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