科学者がボトルのプラスチックからダイヤモンドを作成することに成功

ヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ロッセンドルフ著、2022年10月3日

実験では、単純な PET プラスチックの薄いシートにレーザーを照射しました。 強力なレーザーフラッシュが箔状の物質サンプルに当たると、サンプルは短時間で摂氏 6000 度まで加熱され、衝撃波が発生して物質は数ナノ秒間大気圧の数百万倍に圧縮されました。 科学者たちは、小さなダイヤモンド、いわゆるナノダイヤモンドが極度の圧力下で形成されることを突き止めることができました。 クレジット: HZDR / Blaurock

What transpires inside planets like UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Uranus and NeptuneNeptune is the farthest planet from the sun. In our solar system, it is the fourth-largest planet by size, and third densest. It is named after the Roman god of the sea." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ネプチューン？ それを解明するために革新的な実験が、ドレスデン・ロッセンドルフ・ヘルムホルツツェントルム（HZDR）、ロストック大学、フランスのエコール・ポリテクニックが率いる世界的なチームによって実施されました。 彼らは、強力なレーザーフラッシュを使用して、単純な PET プラスチックの薄いシートにレーザーを照射したときに何が起こるかを研究しました。

As a consequence, the scientists were able to support their prior hypothesis that diamonds really do rain within the ice giants at the edge of our solar system. Another was that this technique would provide a brand-new approach to making nanodiamonds, which are needed, for example, in very sensitive quantum sensors. The team's findings were recently published in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">科学は進歩します。

Extreme conditions occur in the interior of large icy planets like Neptune and Uranus, with pressure millions of times higher than on Earth and temperatures that can reach several thousand degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">摂氏。 ただし、このような状態は、強力なレーザーフラッシュを使用してフィルム状の材料のサンプルを照射し、瞬く間に摂氏 6,000 度まで加熱し、材料を圧縮する衝撃波を生成することで、実験室で短時間再現できます。数ナノ秒間、大気圧の100万倍に達します。

「これまで、この種の実験には炭化水素膜を使用していました」とHZDRの物理学者でロストック大学教授のドミニク・クラウス氏は説明する。 「そして、この極度の圧力がナノダイヤモンドとして知られる小さなダイヤモンドを生成することを発見しました。」

しかし、氷の巨人には炭素と水素に加えて大量の酸素も含まれているため、これらのフィルムを使用して惑星の内部を再現することは部分的にしかできませんでした。 適切なフィルム素材を探していたとき、研究者らは日常的な物質、つまり通常のペットボトルの製造に使用される樹脂である PET を発見しました。

「PET は炭素、水素、酸素のバランスが良く、氷の惑星での活動をシミュレートします」とクラウス氏は説明します。

研究チームは、カリフォルニアにある SLAC 国立加速器研究所で、強力な加速器ベースの X 線レーザーであるリニアック コヒーレント光源 (LCLS) を使用して研究を実施しました。 彼らはこれを利用して、強力なレーザーフラッシュが PET フィルムに当たったときに何が起こるかを分析すると同時に、2 つの測定技術を使用しました。1 つはナノダイヤモンドが生成されたかどうかを検出する X 線回折、もう 1 つはダイヤモンドがどのくらいの速さでどのくらいの大きさに成長したかを確認するいわゆる小角散乱です。 。

「酸素の効果は、炭素と水素の分解を促進し、ナノダイヤモンドの形成を促進することでした」とドミニク・クラウスは結果について報告している。 「それは、炭素原子がより容易に結合してダイヤモンドを形成できることを意味しました。」 これは、氷の巨人の内部に文字通りダイヤモンドの雨を降らせるという仮定をさらに裏付けています。 この発見はおそらく天王星と海王星だけでなく、私たちの銀河系にある他の無数の惑星にも関係があると考えられます。 このような氷の巨人は以前は珍しいものだと考えられていましたが、現在ではそれらがおそらく太陽系外の惑星の最も一般的な形態であることが明らかになっています。

研究チームはまた、別の種類のヒントにも遭遇しました。ダイヤモンドと組み合わせると水が生成されるはずですが、その形式は珍しいものです。 「いわゆる超イオン水が形成された可能性がある」とクラウス氏は意見する。 「酸素原子は結晶格子を形成し、その中で水素原子核が自由に動き回ります。」 原子核は帯電しているため、超イオン水は電流を流し、氷の巨人の磁場の生成に役立ちます。 しかし、研究グループは実験で、ダイヤモンドとの混合物中に超イオン水が存在することを明確に証明することはできませんでした。 これは、ハンブルクにある世界で最も強力な X 線レーザーであるヨーロッパ XFEL でロストック大学と緊密に連携して行われる予定です。 そこで HZDR は、この種の実験に理想的な条件を提供する国際ユーザー コンソーシアム HIBEF を率いています。

このかなり基本的な知識に加えて、新しい実験は技術的応用、つまり研磨剤や研磨剤にすでに含まれているナノメートルサイズのダイヤモンドのオーダーメイド生産の展望も開きます。 将来的には、高感度の量子センサー、医療用造影剤、CO2 分解などの効率的な反応促進剤として使用されることが想定されています。 「これまでのところ、この種のダイヤモンドは主に爆発物を爆発させることによって製造されてきました」とクラウス氏は説明します。 「レーザーフラッシュの助けを借りて、将来的にはよりクリーンに製造できるようになるでしょう。」

科学者のビジョン: 高性能レーザーが、10 分の 1 秒の間隔でビームによって照射される PET フィルムに 1 秒あたり 10 回のフラッシュを発射します。 このようにして生成されたナノダイヤモンドはフィルムから飛び出し、水で満たされた収集タンクに落下します。 そこでそれらは減速され、ろ過されて効果的に収穫されることができます。 爆発物による製造と比較したこの方法の本質的な利点は、「ナノダイヤモンドをサイズや他の原子のドーピングに関してカスタムカットできること」であるとドミニク・クラウス氏は強調する。 「X線レーザーは、ダイヤモンドの成長を正確に制御できる実験器具を持っていることを意味します。」

参考文献: 「小角 X 線散乱と X 線回折によって記録された、衝撃圧縮された C─H─O サンプルにおけるダイヤモンド形成動力学」 Thomas E. Cowan、Adrien Descamps、Martin French、Eric Galtier、Arianna E. Gleason、グリフィン・D・グレン、ジークフリート・H・グレンツァー、犬伏友一、ニコラス・J・ハートレー、ベンジャミン・ホイザー、オリバー・S・ハンフリーズ、上村伸樹、片桐拳人、ディミトリ・カガニ、リー・ヘジャ、エマ・E・マクブライド、宮西幸平、ボブ・ナグラー、ベンジャミン・オフォリ＝岡井、尾崎憲正、シルヴィア・パンドルフィ、チョンビン・クー、ディヴィアンシュ・ランジャン、ロナルド・レドマー、クリストファー・シェーンヴェルダー、アンジャ・K・シュスター、マイケル・G・スティーブンソン、末田恵一、富樫正、トンマーソ・ヴィンチ、カーチャ・フォークト、ヤン・フォルベルガー、マキナ・ヤバシ、藪内俊則、Lisa MV Zinta、Alessandra Ravasio、Dominik Kraus、2022 年 9 月 2 日、Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv .abo0617