Τα πλαστικά σκουπίδια γίνονται διαμάντια!

Έρευνα

Επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να φτιάχνουν μικροσκοπικά διαμάντια από χρησιμοποιημένα πλαστικά μπουκάλια. Τα ανακυκλωμένα νανοδιαμάντια θα μπορούσαν να χρησιμέψουν στην ανακάλυψη φαρμάκων και στην κβαντική ηλεκτρονική.

Ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο του Επιταχυντή SLAC, του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στην Καλιφόρνια και από το γερμανικό ερευνητικό εργαστήριο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf σκέφτηκαν να αναπαραγάγουν μέσα στο εργαστήριο το φαινόμενο της «βροχής διαμαντιών» που παρατηρείται μέσα στους πλανήτες Ποσειδώνα και Ουρανό.

Μέσα σε αυτούς τους πλανήτες επικρατούν θερμοκρασίες αρκετών χιλιάδων βαθμών Κελσίου και η πίεση είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από ό,τι στην ατμόσφαιρα της Γης. Υπό αυτές τις συνθήκες προκαλούνται εκρήξεις που διαχωρίζουν τις ενώσεις των υδρογονανθράκων και στη συνέχεια ο άνθρακας συμπιέζεται σε διαμάντια που βυθίζονται βαθύτερα στους πυρήνες των πλανητών.

Ωστόσο, η έρευνα δεν είναι καινούργια. Σε μια μελέτη του 2017, η ομάδα του SLAC προσομοίωσε επιτυχώς τη διαδικασία πρόκλησης της “διαμαντένιας βροχής” για πρώτη φορά βομβαρδίζοντας με λέιζερ ένα υλικό που ονομάζεται πολυστυρένιο. Το πολυστυρένιο μιμείται τη δομή του μεθανίου, καθώς περιέχει μόνο υδρογόνο και άνθρακα. Οι έντονες ακτίνες Χ παρήγαγαν κρουστικά κύματα μέσα στο υλικό και οι επιστήμονες παρατήρησαν άτομα άνθρακα να αναδιαρθρώνονται σε μικρές δομές διαμαντιών της τάξης νανομέτρων.

Image credit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

Εκτός όμως από τον άνθρακα και το υδρογόνο, οι πλανήτες πιστεύεται ότι περιέχουν μεγάλες ποσότητες οξυγόνου και οι επιστήμονες ήθελαν να διερευνήσουν την επίδραση αυτού του στοιχείου στον σχηματισμό νανοδιαμαντιών μέσα σε αυτούς.

Για αυτό επανέλαβαν το προηγούμενο πείραμά τους μέσα στο όργανο Matter in Extreme Conditions (MEC) στη Linac Coherent Light Source του SLAC, αναπαράγοντας τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν μέσα στον Ποσειδώνα και τον Ουρανό. Οι επιστήμονες βομβάρδισαν με λέιζερ υψηλής ισχύος ένα πλαστικό υλικό από τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET), που είναι ένα υδρογονανθρακικό υλικό που χρησιμοποιείται συνήθως σε συσκευασίες μιας χρήσης (φελιζόλ). Συγκεκριμένα, θέρμαναν με έναν ισχυρό παλμό λέιζερ για λίγο ένα λεπτό φιλμ PET στους 10.800°F (6.000°C) και παρατήρησαν την ανάπτυξη δομών που μοιάζουν με διαμάντια.

Χρησιμοποιώντας στη συνέχεια, μια μέθοδο που ονομάζεται περίθλαση ακτίνων Χ, οι επιστήμονες παρακολούθησαν την αναδιάταξη των ατόμων του PET σε νανοδιαμάντια και μέτρησαν το μέγεθός τους, αλλά και το πόσο γρήγορα αναπτύχθηκαν. Αυτό που διαπίστωσαν ήταν ότι με την παρουσία οξυγόνου στο υλικό τα νανοδιαμάντια μπορούν να αναπτυχθούν σε χαμηλότερες πιέσεις και θερμοκρασίες από ό,τι είχαν παρατηρηθεί προηγουμένως.

Οι ερευνητές προβλέπουν ότι τα διαμάντια μέσα στον Ποσειδώνα και τον Ουρανό με τον καιρό θα γίνονται στην πραγματικότητα πολύ μεγαλύτερα από αυτά που παράγονται σε αυτά τα πειράματα, ζυγίζοντας ενδεχομένως εκατομμύρια καράτια. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι, κατά τη διάρκεια χιλιάδων ετών, αυτοί οι βαρύτεροι κρύσταλλοι θα βυθίζονται στους πλανήτες και θα συγκεντρώνουν ένα παχύ στρώμα γύρω από τον συμπαγή πλανητικό πυρήνα. 

UNSPLASH

Οι ερευνητές κατάφεραν επίσης να αποσπάσουν πολλά μικροσκοπικά διαμάντια από έναν μόνο βομβαρδισμό με ακτίνες Χ, της τάξης των μερικών δισεκατομμυρίων κρυσταλλιδίων (ή μερικών μικρογραμμαρίων αν μιλάμε για συνολικό βάρος).

Εκτός από τα διαμάντια, τα πειράματα υποδεικνύουν και τον σχηματισμό «υπεριονικού νερού» (“superionic water”) μέσα στους πλανήτες. Αυτό δημιουργείται όταν τα μόρια του νερού διασπώνται εξαιτίας υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων. Στη συνέχεια, τα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν μια κανονική δομή πλέγματος, μέσα στην οποία τα άτομα υδρογόνου μπορούν να περιπλανώνται και, καθώς φορτίζονται, μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Τα ρεύματα που μεταφέρει αυτή η μοναδική φάση του νερού θα μπορούσαν να εξηγήσουν τα ασυνήθιστα μαγνητικά πεδία στον Ουρανό και τον Ποσειδώνα.

Αυτά τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο  Science Advances , θα μπορούσαν να επηρεάσουν την κατανόηση των επιστημόνων για τους γίγαντες πάγου εκτός του ηλιακού μας συστήματος. Καθώς η παρουσία οξυγόνου ενισχύει τον σχηματισμό διαμαντιών, πιθανότατα αυτό να συμβαίνει και σε άλλους πλανήτες υπό τις μοναδικές εσωτερικές τους συνθήκες.

Οι ερευνητές θέλουν να πραγματοποιήσουν παρόμοια πειράματα σε υλικά που περιέχουν αιθανόλη, νερό και αμμωνία - όλα υπάρχουν στον Ουρανό και τον Ποσειδώνα - για να έρθουν πιο κοντά στην κατανόηση του τι θα μπορούσε να συμβαίνει μέσα σε άλλους πλανήτες.

Η μελέτη έδειξε βασικά έναν τρόπο παραγωγής νανοδιαμαντιών με τη δημιουργία κρουστικών κυμάτων που καθοδηγούνται από λέιζερ σε φθηνά πλαστικά PET. Τα νανοδιαμάντια χρησιμοποιούνται ήδη σε λειαντικά και στιλβωτικά μέσα, αλλά στο μέλλον θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για κβαντικούς αισθητήρες ή για να επιταχύνουν αντιδράσεις για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως τη διάσπαση του διοξειδίου του άνθρακα.