10 de Noviembre de 2022
Materiales

Sintetizan nanodiamantes a partir de plástico

Focalizando un pulso de luz láser sobre una película de plástico PET, un equipo de investigadores ha recreado las condiciones del manto de Neptuno, donde «llueven» diamantes.

Al comprimir una película de PET con un pulso de luz láser, las temperaturas se elevan hasta 6000 grados centígrados y se genera una onda de choque que crea una presión varios millones de veces superior a la de la atmósfera terrestre durante unos nanosegundos. En esas condiciones, comparables a las del interior de Neptuno, se forman nanodiamantes. [Blaurock/HZDR]

En los confines del sistema solar, dos mundos helados esconden un tesoro inaccesible. Y es que, en las profundidades de Neptuno y Urano, la presión y la temperatura alcanzan valores tan elevados que pueden llegar a formarse nanodiamantes. El fenómeno responde a que el metano contenido en el manto de ambos planetas se transforma en diamantes mediante un proceso de pirólisis.

La hipótesis, propuesta en 1981 por Marvin Ross, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de Estados Unidos (LLNL), se ha visto respaldada desde entonces por una serie de experimentos. En ellos, se comprimen soluciones o películas finas de distintos materiales con un pulso láser para reconstituir durante una fracción de segundo las condiciones de presión y temperatura que prevalecen en el interior de Urano y Neptuno. Hace poco, Dominik Kraus, del Centro de Investigación Helmholtz de Dresde-Rossendorf, y sus colaboradores diseñaron un experimento con tereftalato de polietileno (PET) —el plástico empleado en la fabricación de botellas—, cuyo contenido en carbono, hidrógeno y oxígeno se acerca al de Neptuno. Los investigadores han publicado sus resultados en Science Advances.

En el límite entre el núcleo y el manto del planeta gaseoso, podrían alcanzarse presiones de 500 gigapascales y temperaturas de 6000 grados Celsius. En tales condiciones, la materia adopta formas exóticas difíciles de observar en la Tierra (la presión en esa región es mayor que en el centro de nuestro planeta). El agua, por ejemplo, se encuentra en una fase conocida como «hielo superiónico», un estado en el que las moléculas de agua se rompen y los iones de oxígeno cristalizan en una red uniforme por la que pueden circular libremente los iones de hidrógeno, lo que hace que el hielo se vuelva tan conductor como un metal. Se trata de un material de color negro y cuatro veces más denso que el hielo normal, y el LLNL logró obtenerlo en sus experimentos de 2019.

Pero ¿qué ocurre con los nanodiamantes? Desde 2017 se han realizado experimentos aplicando pulsos de luz láser sobre películas de poliestireno, un polímero de fórmula general (C8H8)n. Sin embargo, a pesar de generarse diamantes (compuestos únicamente por átomos de carbono), el dispositivo no reproducía del todo las condiciones de los planetas gigantes como Urano o Neptuno, cuyo interior está compuesto por una mezcla muy densa de agua (H2O), metano (CH4) y amoníaco (NH3). Por tanto, se trata de medios con abundante oxígeno, lo que podría interferir en el proceso de formación de nanodiamantes.

A Kraus y sus colaboradores se les ocurrió entonces utilizar PET, un plástico de fórmula general (C10H8O4)n. En sus experimentos, emplearon las últimas técnicas de análisis de rayos X para caracterizar los procesos que tenían lugar en las muestras durante la compresión por láser. Los investigadores obtuvieron nanodiamantes a presiones más bajas que antes, entre 74 y 125 gigapascales. Por encima de esos valores, los minerales se fundían debido a las elevadas temperaturas asociadas, del orden de 6000 grados. El equipo también observó que el tamaño de los diamantes aumentaba con la presión.

Tales condiciones serían compatibles con las de Urano y Neptuno, lo que lleva a la conclusión de que, en efecto, en el interior de ambos planetas «llueven» diamantes. El fenómeno podría darse incluso en Júpiter.

«Haber observado diamantes en el plástico a presiones más bajas es una gran noticia, pero ahora hay que averiguar cómo estabilizarlos tras la compresión para poder recuperarlos», apunta Tommaso Vinci, del Laboratorio para Uso de Láseres Intensos (LULI) de Palaiseau. Además, el reto no es baladí: debido al bajo precio del PET, la técnica podría suscitar el interés de ciertos sectores industriales. La capacidad de fabricar grandes cantidades de diamantes controlando sus características sería muy útil, sobre todo para el desarrollo de sensores cuánticos, cuya demanda ha crecido de forma considerable en los últimos años.

Sean Bailly

Referencia: «Diamond formation kinetics in shock-compressed C─H─O samples recorded by small-angle x-ray scattering and x-ray diffraction». Zhiyu He et al. en Science Advances, vol. 8, 2 de septiembre de 2022.

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