“Chuva de diamantes” em planetas gigantes gelados pode ser mais comum do que se pensava anteriormente

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Neptuno, fotografado pelo Hubble, onde chovem diamantes.
Crédito: NASA, ESA, A. Simon (Centro de Voo Espacial Goddard) e M.H. Wong (Universidade da Califórnia em Berkeley) e equipa OPAL

Um novo estudo descobriu que a “chuva de diamantes”, um tipo de precipitação exótica há muito teorizada nos planetas gigantes gelados, pode ser mais comum do que se pensava anteriormente.

Numa experiência anterior, os investigadores imitaram as temperaturas e pressões extremas encontradas nas profundezas dos gigantes gelados Neptuno e Úrano e, pela primeira vez, observaram a chuva de diamantes à medida que se formava.

Investigando este processo num novo material que mais se assemelha à composição química de Neptuno e Úrano, cientistas do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos EUA e colegas descobriram que a presença de oxigénio torna a formação de diamantes mais provável, permitindo a sua formação e crescimento numa gama mais vasta de condições e em mais planetas.

O novo estudo fornece uma imagem mais completa de como a chuva de diamantes se forma noutros planetas e, aqui na Terra, poderá levar a uma nova forma de fabricar nano-diamantes, que têm uma gama muito ampla de aplicações no fornecimento de medicamentos, sensores médicos, cirurgia não invasiva, fabrico sustentável e electrónica quântica.

“O artigo anterior foi a primeira vez que vimos directamente a formação de diamantes a partir de qualquer mistura”, disse Siegfried Glenzer, director da Divisão de Alta Densidade Energética no SLAC. “Desde então, tem havido muitas experiências com diferentes materiais puros.

Mas, dentro dos planetas, é muito mais complicado; há muitas mais substâncias químicas na mistura. E por isso, o que queríamos descobrir aqui era que tipo de efeito têm estes químicos adicionais”.

A equipa, liderada pelo HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) e pela Universidade de Rostock na Alemanha, bem como pela Escola Politécnica francesa em colaboração com o SLAC, publicou os seus resultados na revista Science Advances.

Começando pelo plástico

Na experiência anterior, os cientistas estudaram um material plástico feito de uma mistura de hidrogénio e carbono, componentes-chave da composição química global de Neptuno e Úrano. Mas para além do carbono e hidrogénio, os gigantes de gelo contêm outros elementos, tais como grandes quantidades de oxigénio.

Na experiência mais recente, os investigadores usaram plástico PET – frequentemente utilizado em embalagens alimentares, garrafas de plástico e recipientes – para reproduzir a composição destes planetas.

“O PET tem um bom equilíbrio entre o carbono, o hidrogénio e o oxigénio para simular a actividade nos planetas de gelo”, disse Dominik Kraus, físico no HZDR e professor na Universidade de Rostock.

O oxigénio é o melhor amigo de um diamante

Os investigadores usaram um laser ótico de alta potência no instrumento MEC (Matter in Extreme Conditions) do LCLS (Linac Coherent Light Source) do SLAC para criar ondas de choque no PET. Em seguida, sondaram o que aconteceu ao plástico com pulsos de raios-X do LCLS.

Utilizando um método chamado difracção de raios-X, observaram como os átomos do material se rearranjavam em pequenas regiões diamantíferas. Utilizaram simultaneamente outro método chamado dispersão de pequenos ângulos, que não tinha sido usada no primeiro artigo, para medir a rapidez e o tamanho do crescimento dessas regiões.

Usando este método adicional, foram capazes de determinar que estas regiões diamantíferas cresceram até alguns nanómetros de largura. Verificaram que, com a presença de oxigénio no material, os nano-diamantes eram capazes de crescer a pressões e temperaturas mais baixas do que as observadas anteriormente.

“O efeito do oxigénio foi acelerar a divisão do carbono e hidrogénio e assim encorajar a formação de nano-diamantes”, disse Kraus. “Isso significava que os átomos de carbono podiam combinar-se mais facilmente e formar diamantes”.

Planetas sem gelo

Os investigadores prevêem que os diamantes em Neptuno e Úrano se tornariam muito maiores do que os nano-diamantes produzidos nestas experiências – talvez com milhões de quilates em massa.

Ao longo de milhares de anos, os diamantes poderiam afundar-se lentamente através das camadas de gelo dos planetas e reunir-se numa espessa camada em torno do núcleo sólido do planeta.

A equipa também encontrou evidências de que, em combinação com os diamantes, a água super-iónica também se poderia formar. Esta fase recentemente descoberta da água é frequentemente descrita como “gelo quente e preto”, existe a temperaturas e pressões extremamente elevadas.

Nestas condições extremas, as moléculas de água quebram-se e os átomos de oxigénio formam uma malha de cristal em que os núcleos de hidrogénio flutuam livremente. Dado que estes núcleos flutuantes livres são carregados electricamente, a água super-iónica pode conduzir corrente eléctrica e pode explicar os invulgares campos magnéticos em Úrano e Neptuno.

As descobertas poderiam também ter impacto na nossa compreensão dos planetas em galáxias distantes, uma vez que os cientistas pensam agora que os gigantes gelados são o tipo mais comum de planeta para lá do nosso Sistema Solar.

“Sabemos que o núcleo da Terra é predominantemente feito de ferro, mas muitas experiências ainda estão a investigar como a presença de elementos mais leves pode alterar as condições de fusão e as transições de fase”, disse Silvia Pandolfi, cientista e colaboradora do SLAC.

“A nossa experiência demonstra como estes elementos podem mudar as condições em que os diamantes se estão a formar nos planetas gigantes. Se queremos modelar com precisão os planetas, então precisamos de nos aproximar o mais possível da composição real do interior planetário”.

Diamantes em bruto

A investigação também indica um potencial percurso para a produção de nano-diamantes por compressão de choque a laser para plásticos PET baratos.

Embora já incluídos em agentes abrasivos e de polimento, no futuro, estas pequenas pedras preciosas podem potencialmente ser utilizadas para sensores quânticos, agentes de contraste médicos e aceleradores de reacção para energias renováveis.

“O modo como os nano-diamantes são actualmente feitos, é pegando num monte de carbono ou diamante e explodi-lo com explosivos”, disse Benjamin Ofori-Okai, cientista e colaborador do SLAC.

“Isto cria nano-diamantes de vários tamanhos e formas e são difíceis de controlar. O que estamos a ver nesta experiência é uma reactividade diferente da mesma espécie sob altas temperaturas e pressões.

Em alguns casos, os diamantes parecem estar a formar-se mais rapidamente do que outros, o que sugere que a presença destes outros químicos pode acelerar este processo.

A produção a laser poderia oferecer um método mais limpo e mais facilmente controlado para produzir nano-diamantes. Se conseguirmos conceber formas de mudar algumas coisas sobre a reactividade, podemos mudar a rapidez com que se formam e, portanto, o seu tamanho”.

Em seguida, os investigadores estão a planear experiências semelhantes usando amostras líquidas contendo etanol, água e amónia – de que são principalmente feitos Úrano e Neptuno – o que nos aproximará ainda mais da compreensão exacta de como se formam as chuvas diamantíferas noutros planetas.

“O facto de podermos recriar estas condições extremas para ver como estes processos se desenrolam em escalas muito rápidas e muito pequenas é excitante”, disse Nicholas Hartley, cientista e colaborador do SLAC.

“Adicionar oxigénio aproxima-nos mais do que nunca de ver a imagem completa destes processos planetários, mas ainda há mais trabalho a ser feito. É um passo no caminho para obter a mistura mais realista e para ver como estes materiais se comportam verdadeiramente noutros planetas”.

Astronomia On-line
6 de Setembro de 2022



 

202: Simulação da atmosfera de Neptuno pode ajudar a perceber como fabricar diamantes

CIÊNCIA/TECNOLOGIA/NEPTUNO

Não é o caso da Terra, onde esses elementos são raros e sinónimo de luxo, mas Úrano e Neptuno recebem chuvas de diamantes. Agora, um grupo de cientistas descobriu como simular esse processo através do plástico de garrafas de água.

Os cientistas já haviam conseguido criar diamantes, mas nunca desta forma.

Úrano e Neptuno, dois gigantes gelados, eram considerados planetas extremamente raros até começarem a ser explorados. Depois disso, tornou-se claro que eles podem ser o tipo de planeta mais comum fora do nosso Sistema Solar. Apesar das suspeitas e também das certezas que os cientistas já têm sobre eles, é essencial conhecê-los em profundidade.

Uma das suspeitas mais sonante é a que teoriza que chovem diamantes no seu interior. Apesar de parecer idílico, a verdade é que os seres humanos não sobreviveriam a uma chuva desse calibre, nem às condições inóspitas do próprio planeta: temperaturas excessivamente baixas no exterior e extremamente altas no interior, e uma pressão vários milhões de vezes acima daquela que (nem) sentimos na Terra.

É esse ambiente hostil, contudo, que dá o mote para a formação de diamantes. Este fenómeno já foi observado em simulações realizadas para outros estudos, mas, agora, uma equipa de cientistas repetiu o processo, utilizando, por sua vez, o mesmo material que encontramos nas garrafas de plástico.

O resultado foi publicado na Science Advances e tem sido útil para os cientistas reterem mais informação sobre os dois planetas e para encontrar novas formas de conseguir fazer nano-diamantes.

Chuva de diamantes de Neptuno simulada na Terra

Apesar de o seu exterior gelado, a temperatura no interior pode atingir vários milhares de graus Celsius, a par de uma atmosfera composta, em grande parte, por hidrocarbonatos e por oxigénio, e onde a pressão é muito superior à da Terra.

Durante muito tempo, os cientistas tentaram reproduzir o fenómeno das chuvas de diamantes de Úrano e Neptuno, em ambiente de laboratório.

Apesar de os diamantes surgirem desta forma, as condições dos dois planetas não eram reproduzidas e, por isso, as experiências não resultavam propriamente. Os cientistas perceberam que uma película de hidrocarbonetos, como era usada, não era, então, suficiente.

Agora, uma equipa de cientistas do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, da Universidade de Rostock e da École Polytechnique, em França, consciencializou-se deste entrave e trabalhou nele, propondo-se a encontrar um material mais adequado.

Depois de investigar, percebeu que o material por que tanto procuraram era, na verdade, muito comum no quotidiano das pessoas na Terra: tereftalato de polietileno, mais conhecido como PET.

Plástico que, nas condições certas, pode resultar em diamantes

Se já se cruzou com este nome, recordamos que se trata do material a partir do qual são tipicamente feitas as garrafas de água de plástico.

O processo com o plástico foi o mesmo: os cientistas pegaram numa película de PET e apontaram-lhe um laser, promovendo que o material atingisse os 6.000º C. Esta reacção, em conjunto com o aumento da pressão, resultou na síntese de nano-diamantes, muito semelhantes àqueles que os cientistas acreditam ser os produzidos em Úrano e Neptuno.

De acordo com os autores, estes nano-diamantes podem ser utilizados como “sensores quânticos altamente sensíveis, agentes de contraste médicos e aceleradores de reacção eficientes, por exemplo, para dividir o CO2”.

Embora tenham sido, até agora, obtidos por detonação de explosivos, os cientistas asseguram que o processo poderá tornar-se mais simples e mais limpo, bem como mais controlado.

Pplware
Autor: Ana Sofia Neto
03 Set 2022