压碎的塑料瓶可以制造出用于量子传感器的纳米钻石

由德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)、罗斯托克大学和法国École理工学院领导的一个国际团队进行了一项新颖的实验，以确定海王星和天王星等冰行星内部的情况。

研究人员向一层简单的PET塑料薄膜发射激光，并用强激光闪光研究发生了什么。其中一个结果是，研究人员能够证实，在太阳系外围的冰巨星内部确实存在“钻石雨”。

这种方法可以建立一种生产纳米金刚石的新方法，例如，高灵敏度的量子传感器需要纳米金刚石。该小组在该杂志上发表了他们的发现科学的进步．

像海王星和天王星这样的冰冷巨行星内部的条件是极端的:温度达到几千摄氏度，压力是地球大气层的数百万倍。

尽管如此，这样的状态可以在实验室里简单地模拟:强大的激光击中一个薄膜状的材料样本，眨眼间将其加热到6000°C，并产生冲击波，在几纳秒内将材料压缩到大气压力的100万倍。

“到目前为止，我们使用碳氢化合物薄膜进行这类实验，”HZDR的物理学家、罗斯托克大学教授多米尼克·克劳斯解释说。“我们发现这种极端的压力产生了微小的钻石，被称为纳米钻石。”

然而，使用这些薄膜只能部分地模拟行星的内部，因为冰巨星不仅含有碳和氢，还含有大量的氧气。在寻找合适的薄膜材料时，该小组偶然发现了一种日常物质:PET，普通塑料瓶的树脂。

克劳斯说:“PET在碳、氢和氧之间有很好的平衡，可以模拟冰行星上的活动。”该团队在加利福尼亚州的SLAC国家加速器实验室进行了实验，这里是线性加速器相干光源(LCLS)的所在地，这是一种强大的基于加速器的x射线激光器。他们用它来分析强激光照射PET薄膜时会发生什么，同时采用了两种测量方法:x射线衍射来确定是否产生了纳米钻石，以及所谓的小角度散射来观察钻石生长的速度和大小。

克劳斯补充说:“氧气的作用是加速碳和氢的分裂，从而促进纳米钻石的形成。”“这意味着碳原子更容易结合，形成钻石。”

这进一步支持了一种假设，即在冰巨星内部确实会下钻石雨。这些发现可能不仅与天王星和海王星有关，还与银河系中无数的其他行星有关。虽然这样的冰巨人过去被认为是罕见的，但现在似乎很清楚，它们可能是太阳系外最常见的行星形式。

研究小组还发现了另一种迹象:与钻石结合时，应该会产生水——但形式不同寻常。克劳斯指出:“所谓的超离子水可能已经形成。”氧原子形成一个晶格，其中氢原子原子核自由移动。

由于这些核是带电的，超离子水可以传导电流，从而帮助形成冰巨星的磁场。然而，在他们的实验中，研究小组还不能明确地证明在与钻石的混合物中存在超离子水。进一步的研究正在计划中。

该实验还为技术应用开辟了前景:纳米级钻石的定制生产，这种钻石已经包含在磨料和抛光剂中。据预测，在未来，它们将被用作高灵敏度的量子传感器、医疗造影剂和高效的反应加速器，例如用于分裂二氧化碳。

克劳斯解释说:“到目前为止，这种钻石主要是通过引爆炸药产生的。”“在激光闪光的帮助下，未来可以更清洁地制造它们。”

科学家们设想了这样一个过程:高性能激光每秒向PET薄膜发射10次闪光，光束以十分之一秒的间隔照射PET薄膜。由此产生的纳米钻石从薄膜中射出，落在装满水的收集罐中。在那里，它们被减速，然后可以过滤和有效地收集。

Kraus说，与炸药生产相比，这种方法的本质优势在于“纳米钻石可以根据大小定制，甚至可以掺杂其他原子。”

“x射线激光意味着我们有了一种实验室工具，可以精确控制钻石的生长。”

那篇研究文章——”小角x射线散射和x射线衍射记录了冲击压缩C-H-O样品中金刚石形成动力学——已发表在杂志科学的进步．