O que acontece dentro de planetas como Netuno e Urano? Para descobrir, uma equipe internacional liderada pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), a Universidade de Rostock e a École Polytechnique da França conduziram um novo experimento. Eles dispararam um laser em um filme fino de plástico PET simples e investigaram o que aconteceu usando flashes de laser intensivos. Um resultado foi que os pesquisadores conseguiram confirmar sua tese anterior de que realmente chove diamantes dentro dos gigantes de gelo na periferia do nosso sistema solar. E outra era que esse método poderia estabelecer uma nova maneira de produzir nanodiamantes, necessários, por exemplo, para sensores quânticos altamente sensíveis. O grupo apresentou suas descobertas na revista Science Advances .
As condições no interior de planetas gigantes gelados como Netuno e Urano são extremas: as temperaturas chegam a vários milhares de graus Celsius e a pressão é milhões de vezes maior do que na atmosfera da Terra. No entanto, estados como esse podem ser simulados brevemente no laboratório: poderosos flashes de laser atingem uma amostra de material semelhante a um filme, aquecem-na a 6.000 graus Celsius por um piscar de olhos e geram uma onda de choque que comprime o material por alguns nanossegundos a um milhão de vezes a pressão atmosférica.
“Até agora, usávamos filmes de hidrocarbonetos para esse tipo de experimento”, explica Dominik Kraus, físico da HZDR e professor da Universidade de Rostock. “E descobrimos que essa pressão extrema produzia pequenos diamantes, conhecidos como nanodiamantes.”
Crédito: HZDR / Blaurock
Usando esses filmes, no entanto, foi apenas parcialmente possível simular o interior dos planetas – porque os gigantes de gelo não apenas contêm carbono e hidrogênio, mas também grandes quantidades de oxigênio. Ao procurar um material adequado para o filme, o grupo encontrou uma substância cotidiana: o PET, a resina da qual são feitas as garrafas plásticas comuns. “O PET tem um bom equilíbrio entre carbono, hidrogênio e oxigênio para simular a atividade em planetas de gelo”, explica Kraus.
A equipe conduziu seus experimentos no SLAC National Accelerator Laboratory, na Califórnia, onde está localizado o Linac Coherent Light Source (LCLS), um poderoso laser de raios-X baseado em acelerador. Eles o usaram para analisar o que acontece quando flashes intensos de laser atingem um filme PET, empregando dois métodos de medição ao mesmo tempo: difração de raios X para determinar se os nanodiamantes foram produzidos e o chamado espalhamento de pequeno ângulo para ver a rapidez e o tamanho os diamantes cresceram.
Um grande ajudante: Oxigênio
“O efeito do oxigênio foi acelerar a divisão do carbono e do hidrogênio e, assim, estimular a formação de nanodiamantes”, diz Dominik Kraus, relatando os resultados. “Isso significava que os átomos de carbono poderiam se combinar mais facilmente e formar diamantes.” Isso apoia ainda mais a suposição de que literalmente chove diamantes dentro dos gigantes de gelo. As descobertas provavelmente não são relevantes apenas para Urano e Netuno, mas também para inúmeros outros planetas em nossa galáxia. Embora esses gigantes de gelo costumavam ser considerados raridades, agora parece claro que eles são provavelmente a forma mais comum de planeta fora do sistema solar.
A equipe também encontrou pistas de outro tipo: em combinação com os diamantes, a água deveria ser produzida – mas em uma variante incomum. “A chamada água superiônica pode ter se formado”, diz Kraus. “Os átomos de oxigênio formam uma rede cristalina na qual os núcleos de hidrogênio se movem livremente.”
Como os núcleos são eletricamente carregados, a água superiônica pode conduzir corrente elétrica e, assim, ajudar a criar o campo magnético dos gigantes do gelo. Em seus experimentos, porém, o grupo de pesquisa ainda não conseguiu provar inequivocamente a existência de água superiônica na mistura com diamantes. Isso está planejado para acontecer em estreita colaboração com a Universidade de Rostock no XFEL europeu em Hamburgo, o laser de raios-X mais poderoso do mundo. Lá, a HZDR lidera o consórcio internacional de usuários HIBEF, que oferece as condições ideais para experimentos desse tipo.
Planta de precisão para nanodiamantes
Além desse conhecimento bastante fundamental, o novo experimento também abre perspectivas para uma aplicação técnica: a produção sob medida de diamantes nanométricos, que já estão incluídos em abrasivos e agentes de polimento. No futuro, eles devem ser usados como sensores quânticos altamente sensíveis, agentes de contraste médico e aceleradores de reação eficientes, por exemplo, para dividir o CO2. “Até agora, diamantes desse tipo foram produzidos principalmente por explosivos detonantes”, explica Kraus. “Com a ajuda de flashes de laser, eles poderiam ser fabricados de forma muito mais limpa no futuro.”
Um laser de alto desempenho dispara dez flashes por segundo em um filme PET, que é iluminado pelo feixe em intervalos de um décimo de segundo. Os nanodiamantes assim criados saem do filme e pousam em um tanque coletor cheio de água. Lá eles são desacelerados e podem ser filtrados e efetivamente colhidos. A vantagem essencial deste método em contraste com a produção por explosivos é que “os nanodiamantes podem ser cortados sob medida em relação ao tamanho ou até mesmo doping com outros átomos”, diz Dominik Kraus. “O laser de raios-X significa que temos uma ferramenta de laboratório que pode controlar com precisão o crescimento dos diamantes.”
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Fonte: Zhiyu He et al, Cinética de formação de diamante em amostras de CHO compactadas por choque registradas por espalhamento de raios-X de pequeno ângulo e difração de raios-X, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo0617 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0617
