06.09.2022 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Fabricación de nanodiamantes a partir del plástico de las botellas

Un equipo de investigación utiliza destellos de láser para simular el interior de los planetas de hielo, e impulsa un nuevo proceso para producir diamantes minúsculos

¿Qué ocurre en el interior de planetas como Neptuno y Urano? Para averiguarlo, un equipo internacional dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad de Rostock y la École Polytechnique de Francia realizó un experimento novedoso. Dispararon un láser sobre una fina película de plástico PET simple e investigaron lo que ocurría mediante destellos intensos de láser. Uno de los resultados fue que los investigadores pudieron confirmar su tesis anterior de que realmente llueven diamantes dentro de los gigantes de hielo de la periferia de nuestro sistema solar. Y otro fue que este método podría establecer una nueva forma de producir nanodiamantes, necesarios, por ejemplo, para sensores cuánticos de alta sensibilidad. El grupo ha presentado sus resultados en la revista Science Advances.

Las condiciones en el interior de planetas gigantes helados como Neptuno y Urano son extremas: las temperaturas alcanzan varios miles de grados centígrados y la presión es millones de veces mayor que en la atmósfera terrestre. Sin embargo, estados como éste pueden simularse brevemente en el laboratorio: potentes destellos de láser golpean una muestra de material similar a una película, la calientan hasta 6.000 grados Celsius durante un parpadeo y generan una onda de choque que comprime el material durante unos pocos nanosegundos hasta alcanzar un millón de veces la presión atmosférica. "Hasta ahora, utilizábamos películas de hidrocarburos para este tipo de experimentos", explica Dominik Kraus, físico del HZDR y profesor de la Universidad de Rostock. "Y descubrimos que esta presión extrema producía diamantes diminutos, conocidos como nanodiamantes".

Sin embargo, con estas películas sólo fue posible simular parcialmente el interior de los planetas, ya que los gigantes de hielo no sólo contienen carbono e hidrógeno, sino también grandes cantidades de oxígeno. Al buscar el material adecuado para la película, el grupo dio con una sustancia cotidiana: El PET, la resina con la que se fabrican las botellas de plástico normales. "El PET tiene un buen equilibrio entre carbono, hidrógeno y oxígeno para simular la actividad de los planetas de hielo", explica Kraus. El equipo llevó a cabo sus experimentos en el SLAC National Accelerator Laboratory de California, donde se encuentra la Linac Coherent Light Source (LCLS), un potente láser de rayos X basado en un acelerador. Lo utilizaron para analizar lo que ocurre cuando los intensos destellos del láser inciden en una película de PET, empleando dos métodos de medición al mismo tiempo: La difracción de rayos X para determinar si se producían nanodiamantes y la llamada dispersión de ángulo pequeño para ver la rapidez y el tamaño de los diamantes.

Un gran ayudante: el oxígeno

"El efecto del oxígeno fue acelerar la división del carbono y el hidrógeno y, por tanto, fomentar la formación de nanodiamantes", explica Dominik Kraus, que informa de los resultados. "Significaba que los átomos de carbono podían combinarse más fácilmente y formar diamantes". Esto apoya aún más la suposición de que literalmente llueven diamantes dentro de los gigantes de hielo. Es probable que los hallazgos no sólo sean relevantes para Urano y Neptuno, sino también para otros innumerables planetas de nuestra galaxia. Mientras que estos gigantes de hielo se consideraban una rareza, ahora parece claro que probablemente sean la forma más común de planeta fuera del sistema solar.

El equipo también encontró indicios de otro tipo: en combinación con los diamantes, debería producirse agua, pero en una variante inusual. "Es posible que se haya formado la llamada agua superiónica", opina Kraus. "Los átomos de oxígeno forman una red cristalina en la que los núcleos de hidrógeno se mueven libremente". Como los núcleos están cargados eléctricamente, el agua superiónica puede conducir la corriente eléctrica y, por tanto, ayudar a crear el campo magnético de los gigantes de hielo. En sus experimentos, sin embargo, el grupo de investigación aún no ha podido demostrar de forma inequívoca la existencia de agua superiónica en la mezcla con diamantes. Está previsto que esto ocurra en estrecha colaboración con la Universidad de Rostock en el XFEL europeo de Hamburgo, el láser de rayos X más potente del mundo. Allí, la HZDR encabeza el consorcio internacional de usuarios HIBEF, que ofrece las condiciones ideales para experimentos de este tipo.

Planta de precisión para nanodiamantes

Además de estos conocimientos más bien fundamentales, el nuevo experimento también abre perspectivas para una aplicación técnica: la producción a medida de diamantes de tamaño nanométrico, que ya se incluyen en los abrasivos y agentes de pulido. En el futuro, se supone que se utilizarán como sensores cuánticos de alta sensibilidad, agentes de contraste médico y aceleradores de reacciones eficaces, para dividirel CO2, por ejemplo. "Hasta ahora, los diamantes de este tipo se han producido principalmente mediante la detonación de explosivos", explica Kraus. "Con la ayuda de destellos láser, en el futuro podrían fabricarse de forma mucho más limpia".

La visión de los científicos: Un láser de alto rendimiento dispara diez destellos por segundo a una lámina de PET que es iluminada por el haz a intervalos de una décima de segundo. Los nanodiamantes así creados salen disparados de la película y caen en un tanque de recogida lleno de agua. Allí se desaceleran y pueden filtrarse y recogerse eficazmente. La ventaja esencial de este método frente a la producción por medio de explosivos es que "los nanodiamantes pueden ser cortados a medida en cuanto a tamaño o incluso dopados con otros átomos", subraya Dominik Kraus. "El láser de rayos X significa que tenemos una herramienta de laboratorio que puede controlar con precisión el crecimiento de los diamantes".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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