05/09/2022 - 10:00
Um novo estudo descobriu que a “chuva de diamante”, um tipo exótico de precipitação em planetas gigantes gelados, pode ser mais comum do que se pensava anteriormente.
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Em um experimento anterior, os pesquisadores imitaram as temperaturas e pressões extremas encontradas nas profundezas dos gigantes de gelo Netuno e Urano e, pela primeira vez, observaram a chuva de diamantes à medida que se formavam.
Investigando esse processo em um novo material que se assemelha mais à composição química de Netuno e Urano, cientistas do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), da Universidade de Rostock (ambas instituições da Alemanha), da Escola Politécnica da França e do Centro de Aceleração Linear de Stanford (SLAC National Accelerator Laboratory, do Departamento de Energia dos EUA) descobriram que a presença de oxigênio torna a formação de diamantes mais provável, permitindo que eles se formem e cresçam em uma ampla gama de condições e em mais planetas.
O novo estudo, publicado na revista Science Advances, fornece uma imagem mais completa de como a chuva de diamantes se forma em outros planetas e, aqui na Terra, pode levar a uma nova maneira de fabricar nanodiamantes, que têm uma ampla gama de aplicações na entrega de medicamentos, sensores médicos, cirurgia não invasiva, fabricação sustentável e eletrônica quântica.
“O artigo anterior foi a primeira vez que vimos diretamente a formação de diamantes de qualquer mistura”, disse Siegfried Glenzer, diretor da Divisão de Densidade de Alta Energia do SLAC. “Desde então, tem havido muitos experimentos com diferentes materiais puros. Mas dentro dos planetas, é muito mais complicado; há muito mais produtos químicos na mistura. E então, o que queríamos descobrir aqui era que tipo de efeito que esses produtos químicos adicionais têm.”
Começando com plástico
No experimento anterior, os pesquisadores estudaram um material plástico feito de uma mistura de hidrogênio e carbono, componentes-chave da composição química geral de Netuno e Urano. Mas, além de carbono e hidrogênio, os gigantes de gelo contêm outros elementos, como grandes quantidades de oxigênio.
No experimento mais recente, os pesquisadores usaram plástico PET – frequentemente empregado em embalagens de alimentos, garrafas plásticas e recipientes – para reproduzir a composição desses planetas com mais precisão.
“O PET tem um bom equilíbrio entre carbono, hidrogênio e oxigênio para simular a atividade em planetas gelados”, disse Dominik Kraus, físico do HZDR e professor da Universidade de Rostock.
Oxigênio é o melhor amigo de um diamante
Os pesquisadores usaram um laser óptico de alta potência no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) da Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC para criar ondas de choque no PET. Em seguida, eles investigaram o que aconteceu no plástico com pulsos de raios X do LCLS.
Usando um método chamado difração de raios X, eles observaram os átomos do material se reorganizarem em pequenas regiões de diamante. Eles usaram simultaneamente outro método chamado espalhamento de pequeno ângulo, que não havia sido usado no primeiro artigo, para medir o quão rápido e grande essas regiões cresciam. Usando esse método adicional, eles foram capazes de determinar que essas regiões de diamante cresciam até alguns nanômetros de largura. Eles descobriram que, com a presença de oxigênio no material, os nanodiamantes foram capazes de crescer a pressões e temperaturas mais baixas do que as observadas anteriormente.
“O efeito do oxigênio foi acelerar a divisão do carbono e do hidrogênio e, assim, estimular a formação de nanodiamantes”, disse Kraus. “Isso significava que os átomos de carbono poderiam se combinar mais facilmente e formar diamantes.”
Planetas gelados
Os pesquisadores preveem que os diamantes em Netuno e Urano se tornariam muito maiores do que os nanodiamantes produzidos nesses experimentos – talvez com milhões de quilates em peso. Ao longo de milhares de anos, os diamantes podem afundar lentamente através das camadas de gelo dos planetas e se reunir em uma espessa camada ao redor do núcleo planetário sólido.
A equipe também encontrou evidências de que, em combinação com os diamantes, a água superiônica também pode se formar. Essa fase da água recentemente descoberta, muitas vezes descrita como “gelo preto e quente”, existe em temperaturas e pressões extremamente altas. Nessas condições extremas, as moléculas de água se separam e os átomos de oxigênio formam uma rede cristalina na qual os núcleos de hidrogênio flutuam livremente. Como esses núcleos flutuantes são eletricamente carregados, a água superiônica pode conduzir corrente elétrica e pode explicar os campos magnéticos incomuns em Urano e Netuno.
As descobertas também podem afetar nossa compreensão dos planetas em galáxias distantes, já que os cientistas agora acreditam que os gigantes de gelo são a forma mais comum de planeta fora do nosso Sistema Solar.
“Sabemos que o núcleo da Terra é predominantemente feito de ferro, mas muitos experimentos ainda estão investigando como a presença de elementos mais leves pode alterar as condições de fusão e transições de fase”, disse a cientista e colaboradora do SLAC Silvia Pandolfi. “Nosso experimento demonstra como esses elementos podem mudar as condições em que os diamantes estão se formando em gigantes de gelo. Se queremos modelar planetas com precisão, precisamos chegar o mais próximo possível da composição real do interior do planeta.”
Condições recriadas
A pesquisa também indica um caminho potencial para a produção de nanodiamantes por compressão de choque a laser de plásticos PET baratos. Embora já estejam incluídas em abrasivos e agentes de polimento, no futuro, essas pequenas gemas podem ser usadas para sensores quânticos, agentes de contraste médico e aceleradores de reação para energia renovável.
“A maneira como os nanodiamantes são feitos atualmente é pegando um monte de carbono ou diamante e explodindo-os com explosivos”, disse o cientista e colaborador do SLAC Benjamin Ofori-Okai. “Isso cria nanodiamantes de vários tamanhos e formas e é difícil de controlar. O que estamos vendo neste experimento é uma reatividade diferente da mesma espécie sob alta temperatura e pressão. Em alguns casos, os diamantes parecem estar se formando mais rapidamente do que em outros, o que sugere que a presença desses outros produtos químicos pode acelerar esse processo. A produção de laser pode oferecer um método mais limpo e mais fácil de controlar para produzir nanodiamantes. Se pudermos projetar maneiras de mudar algumas coisas sobre a reatividade, poderemos mudar a rapidez com que eles se formam e, portanto, quão grande eles ficam.”
Em seguida, os pesquisadores estão planejando experimentos semelhantes usando amostras líquidas contendo etanol, água e amônia – do que Urano e Netuno são feitos principalmente –, o que os deixará mais perto ainda mais de entender exatamente como a chuva de diamantes se forma em outros planetas.
“O fato de podermos recriar essas condições extremas para ver como esses processos se desenrolam em escalas muito rápidas e muito pequenas é emocionante”, disse o cientista e colaborador do SLAC Nicholas Hartley. “A adição de oxigênio nos aproxima mais do que nunca de ver a imagem completa desses processos planetários, mas ainda existe mais trabalho a ser feito. É um passo no caminho para obter a mistura mais realista e ver como esses materiais realmente se comportam em outros planetas.”
