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一只普通塑料瓶可以做什么?制造钻石?还能模拟天王星?

发布时间:2022-09-16 19:49:27 来源:爱游戏最新app官方下载 作者:爱游戏电竞唯一地址

  最近,由德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心(HZDR)、罗斯托克大学和法国巴黎综合理工学院领导的国际团队进行了一项新的实验,以确定海王星和天王星等冰行星内部发生了什么。他们利用激光闪光模拟冰行星的内部,推动了一种生产对量子传感器至关重要的微型钻石(也叫金刚石)的新工艺。

  研究人员向简单的PET塑料薄膜发射激光,并使用强烈的激光闪光研究发生了什么。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”。该方法可以建立一种生产纳米钻石的新方法,例如,高灵敏度量子传感器需要的纳米钻石。

  海王星和天王星等冰态巨行星内部的条件非常极端:温度达到数千摄氏度,压力是地球大气的数百万倍。尽管如此,这样的状态可以在实验室中简单模拟:强大的激光闪光击中薄膜状材料样本,瞬间将其加热到6000°C,并产生冲击波,将材料压缩几纳秒到100万倍大气压。

  HZDR物理学家、罗斯托克大学教授Dominik Kraus说[2]:“到目前为止,我们使用碳氢化合物薄膜进行这类实验。我们发现这种极端的压力产生了微小的钻石,称为纳米钻石。”

  然而,使用这些薄膜,只能部分模拟行星的内部,因为冰巨星不仅含有碳和氢,还含有大量的氧。在寻找合适的薄膜材料时,研究团队找到了一种日常物质:PET,一种用于制造普通塑料瓶的树脂。

  Kraus说:“PET在碳、氢和氧之间有很好的平衡,可以模拟冰巨星的活动。该团队在加州的SLAC国家加速器实验室进行了实验,这里是直线加速器相干光源(LCLS)的所在地,这是一种强大的基于加速器的X射线激光器。他们用它来分析强烈的激光闪光击中PET薄膜时发生的情况,同时采用两种测量方法:X射线衍射法来确定是否产生了纳米钻石,以及所谓的小角度散射法来观察钻石生长的速度和大小。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。”

  这进一步支持了这样一个假设,即在冰巨星内部存在钻石雨。这些发现可能不仅与天王星和海王星有关,也与我们银河系中的无数其他行星有关。虽然这些冰巨星在过去被认为是稀有物种,但现在看来,它们可能是太阳系外最常见的行星。

  研究团队还获得了另一种暗示:在与钻石的结合中,应该会产生水——但是以一种不寻常的变体。“可能形成了所谓的超离子水,”Kraus指出,“氧原子形成一个晶格,氢核在其中自由移动。”

  由于这些核是带电的,超离子水会传导电流,从而有助于产生冰巨星的磁场。然而,在他们的实验中,还无法明确证明在钻石混合物中存在超离子水。他们计划进一步研究这个问题。

  这项实验还为一项技术应用开辟了前景:定制生产纳米尺寸的钻石。在未来,预计它们将被用作高灵敏度量子传感器、医学造影剂和高效反应加速器,例如用于分解二氧化碳。

  Kraus解释说:“到目前为止,这种钻石主要是通过引爆炸药生产的,在激光闪光的帮助下,未来可以更清洁地生产它们。”科学家们设想了一个过程,高性能激光器每秒向PET膜发射十次闪光,PET膜以1/10秒的间隔被光束照射。由此产生的纳米钻石从薄膜中射出,落在一个装满水的收集槽中。在那里,它们被减速,然后被过滤并有效地收获。

  与炸药生产相比,这种方法的主要优势是“纳米钻石可以根据尺寸定制,甚至可以掺杂其他原子”。Kraus说:“X射线激光意味着我们有一个实验室工具,可以精确控制钻石的生长。”


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