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用塑料瓶制造纳米钻石
2022年09月11日    新闻来源:行业资讯在线    |  投稿

海王星和天王星等行星内部发生了什么?为了找到答案,由Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf(HZDR)、罗斯托克大学和法国脡科尔理工学院进行了一项新的实验。他们向简单的PET塑料薄膜发射激光,并使用强激光闪光研究发生了什么。一个结果是,研究人员能够证实他们先前的论点,即在太阳系外围的冰巨星内部确实有钻石雨。另一个是,这种方法可以建立一种生产纳米金刚石的新方法,例如,高灵敏度量子传感器需要纳米金刚石。该小组在《科学进步》杂志上发表了研究结果。

海王星和天王星等冰巨星内部的条件非常极端:温度达到数千摄氏度,压力比地球大气中的压力大数百万倍。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摄氏度,并产生冲击波,将材料压缩几纳秒至大气压力的一百万倍。

HZDR的物理学家、罗斯托克大学教授多米尼克·克劳斯(Dominik Kraus)解释说:“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,使用这些胶片只能部分模拟行星内部鈥攂因为冰巨人不仅含有碳和氢,还含有大量的氧。在寻找合适的薄膜材料时,研究小组找到了一种日常物质:PET,一种用于制造普通塑料瓶的树脂。克劳斯解释说:“PET在碳、氢和氧之间有很好的平衡,可以模拟冰行星的活动。”。

该团队在加利福尼亚州的SLAC国家加速器实验室进行了实验,该实验室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。他们用它来分析强激光照射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。

大帮手:氧气

“氧的作用是加速碳和氢的分裂,从而促进纳米金刚石的形成,”多米尼克·克劳斯在报告结果时说。“这意味着碳原子可以更容易地结合形成钻石。”这进一步支持了这一假设,即它确实会在冰巨星内部形成钻石。这些发现可能不仅与天王星和海王星有关,也与银河系中无数其他行星有关。虽然这些冰巨星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。

团队还遇到了另一种暗示:结合钻石,水应该被生产出来鈥攂ut是一种不寻常的变体。“可能形成了所谓的超离子水,”克劳斯说。“氧原子形成一个晶格,其中氢原子核自由移动。”

由于原子核是带电的,超离子水可以传导电流,从而有助于产生冰巨星的磁场。然而,在他们的实验中,研究小组还无法明确证明在钻石混合物中存在超离子水。计划与罗斯托克大学(位于汉堡的欧洲XFEL)密切合作,这是世界上最强大的X射线激光器。在那里,HZDR领导着国际用户联盟HIBEF,为此类实验提供了理想的条件。

纳米金刚石精密加工设备

除了这一相当基础的知识之外,新的实验还为技术应用开辟了前景:定制生产纳米尺寸的钻石,这些钻石已经包含在研磨剂和抛光剂中。在未来,它们被认为是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。“到目前为止,这类钻石主要是通过引爆炸药生产的,”克劳斯解释说。“在激光闪光的帮助下,未来可以更清洁地制造它们。”

高性能激光每秒向PET薄膜发射十次闪光,该薄膜以十分之一秒的间隔被光束照射。由此产生的纳米钻石从薄膜中射出,落在装满水的收集槽中。在那里它们被减速,然后可以被过滤和有效地收获。Dominik Kraus说,与炸药生产相比,这种方法的本质优势在于“纳米钻石可以根据尺寸定制切割,甚至可以掺杂其他原子。”。“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。”

标签:化工应用技术中心改性塑料工程塑料
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