ייצור ננו-יהלומים מפלסטיק מבקבוק: צוות המחקר משתמש בהבזקי לייזר כדי לדמות את פנים כוכבי לכת קרח – ומדרבן תהליך חדש לייצור יהלומים זעירים

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס


מה קורה בתוך כוכבי לכת כמו נפטון ואוראנוס? כדי לברר זאת, צוות בינלאומי בראשות Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), אוניברסיטת רוסטוק והאקול פוליטכניק בצרפת ערכו ניסוי חדשני. הם ירו בלייזר על סרט דק של פלסטיק PET פשוט וחקרו מה קרה באמצעות הבזקי לייזר אינטנסיביים. אחת התוצאות הייתה שהחוקרים הצליחו לאשר את התזה המוקדמת שלהם לפיה באמת מטמין יהלומים בתוך ענקי הקרח בפריפריה של מערכת השמש שלנו. ועוד היה ששיטה זו יכולה לבסס דרך חדשה לייצור ננו-יהלומים, הנחוצים, למשל, עבור חיישני קוונטים רגישים במיוחד. הקבוצה הציגה את ממצאיה בכתב העת התקדמות המדע.

התנאים בפנים של כוכבי לכת ענקיים קפואים כמו נפטון ואוראנוס הם קיצוניים: הטמפרטורות מגיעות לכמה אלפי מעלות צלזיוס, והלחץ גדול פי מיליוני מאשר באטמוספירה של כדור הארץ. אף על פי כן, ניתן לדמות מצבים כאלה בקצרה במעבדה: הבזקי לייזר עוצמתיים פוגעים בדגימת חומר דמוי סרט, מחממים אותה ל-6,000 מעלות צלזיוס להרף עין ומייצרים גל הלם שדוחס את החומר לכמה ננו-שניות. עד פי מיליון מהלחץ האטמוספרי. "עד עכשיו השתמשנו בסרטי פחמימנים לניסויים מסוג זה", מסביר דומיניק קראוס, פיזיקאי ב-HZDR ופרופסור באוניברסיטת רוסטוק. "וגילינו שהלחץ הקיצוני הזה יצר יהלומים זעירים, הידועים בשם ננו-יהלומים".

עם זאת, באמצעות הסרטים הללו, ניתן היה לדמות רק חלקית את פנים כוכבי הלכת – כי ענקי קרח מכילים לא רק פחמן ומימן אלא גם כמויות אדירות של חמצן. כשחיפשו חומר סרט מתאים, הקבוצה חבטה על חומר יומיומי: PET, השרף שממנו עשויים בקבוקי פלסטיק רגילים. "ל-PET יש איזון טוב בין פחמן, מימן וחמצן כדי לדמות את הפעילות בכוכבי לכת קרח", מסביר קראוס. הצוות ערך את הניסויים שלו במעבדת האצה הלאומית של SLAC בקליפורניה, המיקום של Linac Coherent Light Source (LCLS), לייזר רנטגן חזק מבוסס מאיץ. הם השתמשו בו כדי לנתח מה קורה כאשר הבזקי לייזר אינטנסיביים פוגעים בסרט PET, תוך שימוש בשתי שיטות מדידה בו-זמנית: עקיפה של קרני רנטגן כדי לקבוע אם נוצרו ננו-יהלומים ומה שנקרא פיזור בזווית קטנה כדי לראות כמה מהר וכמה גדול היהלומים גדלו.

עוזר גדול: חמצן

"ההשפעה של החמצן הייתה להאיץ את פיצול הפחמן והמימן ובכך לעודד יצירת ננו-יהלומים", אומר דומיניק קראוס, בדיווח על התוצאות. "המשמעות היא שאטומי הפחמן יכולים להתאחד בקלות רבה יותר וליצור יהלומים". זה תומך עוד יותר בהנחה שממש יורד גשם של יהלומים בתוך ענקי הקרח. הממצאים כנראה אינם רלוונטיים רק לאורנוס ולנפטון אלא גם לאינספור כוכבי לכת אחרים בגלקסיה שלנו. בעוד שענקי קרח כאלה נחשבו בעבר כנדירים, כעת נראה ברור שהם כנראה הצורה הנפוצה ביותר של כוכב לכת מחוץ למערכת השמש.

הצוות גם נתקל ברמזים מסוג אחר: בשילוב עם היהלומים, יש לייצר מים – אבל בגרסה יוצאת דופן. "ייתכן שנוצרו מים כביכול סופריוניים", סבור קראוס. "אטומי החמצן יוצרים סריג גבישי שבו גרעיני המימן נעים בחופשיות." מכיוון שהגרעינים טעונים חשמלית, מים סופריוניים יכולים להוליך זרם חשמלי ובכך לסייע ביצירת השדה המגנטי של ענקי הקרח. אולם בניסויים שלהם, קבוצת המחקר עדיין לא הצליחה להוכיח באופן חד משמעי את קיומם של מים סופריוניים בתערובת עם יהלומים. זה מתוכנן לקרות בשיתוף פעולה הדוק עם אוניברסיטת רוסטוק ב-XFEL האירופי בהמבורג, לייזר רנטגן החזק ביותר בעולם. שם, HZDR עומד בראש קונסורציום המשתמשים הבינלאומי HIBEF המציע תנאים אידיאליים לניסויים מהסוג הזה.

מפעל דיוק לננו-יהלומים

בנוסף לידע הבסיסי הזה, הניסוי החדש פותח גם פרספקטיבות ליישום טכני: ייצור מותאם של יהלומים בגודל ננומטר, שכבר נכללים בחומרי שיוף וליטוש. בעתיד, הם אמורים לשמש כחיישנים קוונטיים רגישים במיוחד, חומרי ניגוד רפואיים ומאיצי תגובה יעילים, למשל לפיצול CO2. "עד כה, יהלומים מהסוג הזה הופקו בעיקר על ידי פיצוץ של חומרי נפץ", מסביר קראוס. "בעזרת הבזקי לייזר ניתן יהיה לייצר אותם בצורה הרבה יותר נקייה בעתיד".

חזון המדענים: לייזר בעל ביצועים גבוהים יורה עשרה הבזקים בשנייה על סרט PET המואר על ידי הקרן במרווחים של עשירית השנייה. הננו-יהלומים יצרו כך יוצאים מהסרט ונוחתים במיכל איסוף מלא במים. שם הם מואטים ואז ניתן לסנן אותם ולקטוף אותם ביעילות. היתרון המהותי של שיטה זו בניגוד לייצור על ידי חומרי נפץ הוא ש"ניתן לחתוך את הננו-יהלומים בהתאמה אישית בהתייחס לגודל או אפילו לסימום עם אטומים אחרים", מדגיש דומיניק קראוס. "לייזר רנטגן אומר שיש לנו כלי מעבדה שיכול לשלוט במדויק על צמיחת היהלומים".

מקור הסיפור:

חומרים המסופק על ידי הלמהולץ-מרכז דרזדן-רוסנדורף. הערה: ניתן לערוך את התוכן לפי הסגנון והאורך.



קישור לכתבת המקור – 2022-09-02 22:49:11

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר