科学者はレーザーを使用してプラスチックを小さなダイヤモンドに変換しました

それはリサイクルの新しい形でしょうか、それとも夢物語でしょうか?

ULTRA.F/ゲッティイメージズ

ある人のゴミは別の人にとっては宝物であると言います。

今回、国際科学者チームは、安価なポリエチレンテレフタレート (PET) プラスチックをナノダイヤモンド (合成の極微ダイヤモンド) に変えることで、その言葉を文字通りに実現することに成功しました。

「ナノ秒以内に、[...]このプラスチックサンプル内の全炭素原子の10パーセントが非常に小さなダイヤモンドに変換されます」と研究共著者でロストック大学物理研究所教授のドミニク・クラウス氏はツリーハガーに語った。「そして、それらの非常に小さなナノダイヤモンドは、テクノロジーの非常に興味深い応用が可能になる可能性があります。あるいはすでに何らかの形で応用できる可能性がありますが、将来的にはさらに可能性が高まるでしょう。」

2022 年秋に Science Advances に掲載されたこの変革は、少々驚きだったとクラウス氏は言います。それは、カリフォルニアにあるエネルギー省のSLAC国立加速器研究所、ヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ロッセンドルフ（HZDR）、ドイツのロストック大学、フランスのエコール・ポリテクニックからなる研究チームが、プラスチックの地上での用途を見つけようとしていたわけではないからだ。むしろ、他の惑星の化学を理解する必要があります。

「もともと、これは海王星や天王星のような巨大な惑星の内部でどのような化学が起こっているのかをよりよく理解することが目的でした」とクラウス氏は言う。

科学者たちは氷の巨人が太陽系外の最も一般的な種類の惑星であると考えているため、これは宇宙全体を理解する上で重要です。元素レベルで見ると、これらの惑星はほとんどが炭素、水素、酸素と少量の窒素で構成されている、とクラウス氏は言う。しかし、科学者を本当に魅了するのは、極端な惑星条件下でこれらの元素がどのように相互作用するかです。これらの惑星の条件によって、超イオン水と呼ばれる特殊なタイプの水が生成される可能性があります。また、ダイヤモンドが雨として降る可能性もあります。

オリヴィエ・ボナン / SLAC 国立加速器研究所

超イオン水とは何ですか？「超イオン水は、酸素原子が結晶格子を形成し、水素原子核がこの酸素格子の中をある程度自由に移動できるという予測された水の形態です」とクラウス氏は言う。

この超イオン水の存在は、科学者たちがこれらの惑星に存在すると考えている独特の磁場を説明できるかもしれない、と研究著者らは書いている。

これらの惑星で何が起こっているのかを解明するには、科学者たちは、摂氏数千度の温度と地球の数百万倍の大気圧という極限状態を実験室で何らかの方法で再現する必要がある。これは、フィルムを華氏 6,000 度まで加熱できる高出力レーザーでフィルム状の素材を爆破し、素材にかかる圧力を 100 万倍にする衝撃波を発生させることによって行われます。次に、SLAC 国立加速器研究所にある特別なリニアックコヒーレント光源 (LCLS) 加速器ベースの X 線レーザーを使用して、レーザーフラッシュがフィルムに当たると何が起こるかを調べます。

水素と炭素で構成されるプラスチックであるポリスチレンを爆破する以前の実験では、これらの惑星上でダイヤモンドの沈殿が実際に形成される可能性があるという証拠が得られました。しかし、これらの惑星には水も豊富にあり、科学者たちは炭素と水が分離すると超イオン水が形成される可能性が高いと考えています。

そこで彼らは、化学式 C10H8O4 を持つ PET に注目したのです。ナノダイヤモンドを生成したのはこの実験であり、氷の巨人がダイヤモンドの雨と超イオン水の両方を観察している可能性があるという科学的証拠を裏付けました。

SLACの科学者で研究共著者のシルビア・パンドルフィ氏は、「地球の核は主に鉄でできていることはわかっているが、より軽い元素の存在が融解や相転移の条件をどのように変化させるのかについては、多くの実験がまだ行われている」とSLACのプレスリリースで述べている。。「私たちの実験は、これらの元素が氷の巨人上でダイヤモンドが形成される条件をどのように変えることができるかを示しています。惑星を正確にモデル化したい場合は、惑星内部の実際の組成にできる限り近づける必要があります。」

ブラウロック / HZDR

これは実験の目的ではなかったが、研究者らは安価な材料からナノダイヤモンドを生成する新しい方法を開発した可能性があると考えている。

SLACの科学者で研究共著者のベンジャミン・オフォリ・オカイ氏は、「ナノダイヤモンドの現在の製造方法は、大量の炭素またはダイヤモンドを爆薬で爆破することによって作られている」とプレスリリースで述べている。「これにより、さまざまなサイズや形状のナノダイヤモンドが生成され、制御が困難です。この実験で我々が見ているのは、高温高圧下での同じ種の異なる反応性です。場合によっては、ダイヤモンドが他のものよりも速く形成されているように見えます」これは、これらの他の化学物質の存在がこのプロセスを加速する可能性があることを示唆しています。レーザー製造は、ナノダイヤモンドを製造するためのクリーンでより簡単に制御された方法を提供する可能性があります。反応性に関するいくつかのことを変更する方法を設計できれば、その反応速度を変えることができます。形状とそれによってどれだけ大きくなるかです。」

クラウス氏は、プラスチック汚染の解決策としてこのプロセスが拡大される可能性は低いが、それでも一部のプラスチックに有益な第二の人生を与える可能性はあると述べている。 SLACによると、ナノダイヤモンドは現在、研磨剤や研磨剤に使用されているという。しかし、HZDRによれば、将来の潜在的な用途には、量子センサー、医療用途の造影剤、二酸化炭素の分解などの化学反応の促進剤などが含まれるという。

特にクラウス氏は、ナノダイヤモンドが二酸化炭素の光触媒作用、つまり光を使って温室効果ガスを水素やメタンに変換するプロセスに役立つのではないかと考えている。

「たとえば、ナノダイヤモンドを入れた水を浮かべて太陽光を当てると、この水域に二酸化炭素が運び込まれます」とクラウス氏は説明する。

一部の科学者は、このように二酸化炭素をリサイクルすることで、地中から追加の化石燃料を抽出する必要がなく、より持続可能なメタン源を生成することができ、気候変動の解決策になる可能性があると主張しています。しかし、ライス大学の化学・生体分子工学、化学、材料科学・ナノ工学のAJ・ハートスク教授マッテオ・パスクアリ氏は、これらの主張に冷や水を浴びせている。

「人為的な二酸化炭素の排出は気候変動の原因であり、解決策にはなりません」と彼はツリーハガーに語る。「私たちが二酸化炭素を排出するのは、エネルギーを作るために石炭、石油、ガス（メタン）を燃やすときに二酸化炭素が発生するからです。もちろん、CO2をメタン（または石油、ガス）に再変換するには、抽出されたエネルギーよりも多くのエネルギーが必要です」これは技術に依存せず、熱力学の第一法則と第二法則によるもので、たとえば、循環プロセスではエネルギーを生成できず、循環プロセスを実行するには外部エネルギー入力が必要であると述べられています。

同氏は、政策立案者が温室効果ガスの排出をゼロにすることに成功した未来では、再生可能エネルギーを利用して二酸化炭素を炭素にリサイクルすることが可能になるかもしれないと考えているが、人間が単純に燃焼をやめれば、自然システムが大気中の過剰な炭素をうまく除去するだろうとも考えている。化石燃料。

彼はまた、ナノダイヤモンドが二酸化炭素のリサイクルに役立つとは考えていません。

レーザーを使ってペットボトルを小さなダイヤモンドに変えることが、地球が直面している重大な環境危機の解決策の一部になるとは考えにくいが、それでも科学的プロセスによって生み出された幸福な事故を思い起こさせるものである。クラウス氏は、今回の発見の中で特に「面白い」要素の一つは、天体物理学の研究が地球上での応用の可能性をもたらしたということだという。彼にとって、これは科学が問題を解決することだけを目的とする必要はないことを思い出させてくれます。場合によっては、好奇心から質問すると、探してもいなかった解決策が見つかることがあります。

「好奇心主導の研究も非常に重要であり、これが世界をどのように変えたかを示す例がたくさんあります」と彼は言います。

次に、クラウス氏は、氷の巨人で何が起こっているのかをもっと知り、より多くのナノダイヤモンドを生成する方法を見つけ出したいと考えている。

彼、Zhiyu、他。アル。「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反応速度論」科学の進歩、vol. 8、いいえ。 35、2022 年 9 月 2 日、DOI:10.1126/sciadv.abo0617

クラウス、D.、他。惑星の内部条件におけるレーザー圧縮された炭化水素中でのダイヤモンドの形成。 Nat Astron、第 1 巻、606–611 ページ、2017 年、doi:10.1038/s41550-017-0219-9

サンダーマイヤー、アリ。「巨大な氷の惑星における『ダイヤモンドの雨』は、これまで考えられていたよりも一般的である可能性がある。」 SLAC国立加速器研究所。

「ボトルのプラスチックからナノダイヤモンドを作る。」ヘルムホルツツェントラムドレスデンロッゼンドルフ。

ウルマー、ウルリッヒら。光触媒によるCO2メタン化の基礎と応用。ナットコミューン、vol. 10、いいえ。 3169 (2019)。 https://doi.org/10.1038/s41467-019-10996-2