Des scientifiques ont réussi à créer des diamants à partir de bouteilles en plastique

Par Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf3 octobre 2022

Dans l'expérience, une fine feuille de plastique PET simple a été projetée avec un laser. Les puissants éclairs laser qui ont frappé l'échantillon de matériau en forme de feuille l'ont brièvement chauffé jusqu'à 6000 degrés Celsius et ont ainsi généré une onde de choc qui a comprimé la matière à des millions de fois la pression atmosphérique pendant quelques nanosecondes. Les scientifiques ont pu déterminer que de minuscules diamants, appelés nanodiamants, se formaient sous une pression extrême. Crédit : 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"}]"> Neptune? Une expérience innovante a été menée pour le découvrir par une équipe mondiale dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), l'Université de Rostock et l'École Polytechnique de France. Ils ont utilisé des flashs laser intenses pour étudier ce qui s'est passé lorsqu'ils ont tiré un laser sur une fine feuille de plastique PET simple.

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"}]">Les avancées scientifiques.

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"}]"> Celsius. Cependant, des états comme ceux-ci peuvent être brièvement reproduits en laboratoire en utilisant des flashs laser intenses pour frapper un échantillon d'un matériau semblable à un film, le chauffer à 6 000 degrés Celsius en un clin d'œil et créer une onde de choc qui comprime le matériau à un million de fois la pression atmosphérique pendant quelques nanosecondes.

"Jusqu'à présent, nous utilisions des films d'hydrocarbures pour ce genre d'expériences", explique Dominik Kraus, physicien au HZDR et professeur à l'université de Rostock. "Et nous avons découvert que cette pression extrême produisait de minuscules diamants, appelés nanodiamants."

Cependant, comme les géantes de glace contiennent également des quantités importantes d'oxygène, en plus du carbone et de l'hydrogène, elle n'a pu reproduire que partiellement l'intérieur des planètes à l'aide de ces films. En cherchant un matériau de film approprié, les chercheurs sont tombés sur une substance de tous les jours : le PET, la résine utilisée pour fabriquer des bouteilles en plastique ordinaires.

"Le PET a un bon équilibre entre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène pour simuler l'activité des planètes de glace", explique Kraus.

L'équipe a effectué ses recherches à l'aide du Linac Coherent Light Source (LCLS), un puissant laser à rayons X basé sur un accélérateur, au SLAC National Accelerator Laboratory en Californie. Ils l'ont utilisé pour analyser ce qui se passe lorsque de puissants flashs laser frappent un film PET tout en utilisant simultanément deux techniques de mesure : la diffraction des rayons X pour détecter si des nanodiamants ont été créés et la diffusion dite aux petits angles pour voir à quelle vitesse et à quelle taille les diamants ont poussé.

"L'effet de l'oxygène était d'accélérer la séparation du carbone et de l'hydrogène et ainsi d'encourager la formation de nanodiamants", explique Dominik Kraus, faisant état des résultats. "Cela signifiait que les atomes de carbone pouvaient se combiner plus facilement et former des diamants." Cela confirme davantage l'hypothèse selon laquelle il pleut littéralement des diamants à l'intérieur des géants de glace. Les découvertes ne sont probablement pas seulement pertinentes pour Uranus et Neptune, mais également pour d'innombrables autres planètes de notre galaxie. Alors que ces géantes de glace étaient autrefois considérées comme des raretés, il semble maintenant clair qu'elles sont probablement la forme la plus courante de planètes en dehors du système solaire.

L'équipe a également rencontré des indices d'un autre type : en combinaison avec les diamants, de l'eau devrait être produite - mais dans une variante inhabituelle. "De l'eau dite superionique peut s'être formée", estime Kraus. "Les atomes d'oxygène forment un réseau cristallin dans lequel les noyaux d'hydrogène se déplacent librement." Parce que les noyaux sont chargés électriquement, l'eau superionique peut conduire le courant électrique et ainsi aider à créer le champ magnétique des géantes de glace. Dans leurs expériences, cependant, le groupe de recherche n'a pas encore été en mesure de prouver sans équivoque l'existence d'eau superionique dans le mélange avec des diamants. Cela devrait se produire en étroite collaboration avec l'Université de Rostock à l'European XFEL à Hambourg, le laser à rayons X le plus puissant au monde. Le HZDR y dirige le consortium international d'utilisateurs HIBEF qui offre des conditions idéales pour des expériences de ce type.

Outre ces connaissances plutôt fondamentales, la nouvelle expérience ouvre également des perspectives pour une application technique : la production sur mesure de diamants de taille nanométrique, qui sont déjà inclus dans les abrasifs et les agents de polissage. À l'avenir, ils sont censés être utilisés comme capteurs quantiques très sensibles, agents de contraste médicaux et accélérateurs de réaction efficaces, pour séparer le CO2 par exemple. "Jusqu'à présent, les diamants de ce type ont été principalement produits en faisant exploser des explosifs", explique Kraus. "Avec l'aide de flashs laser, ils pourraient être fabriqués de manière beaucoup plus propre à l'avenir."

La vision des scientifiques : Un laser haute performance déclenche dix flashs par seconde sur un film PET qui est éclairé par le faisceau à des intervalles d'un dixième de seconde. Les nanodiamants ainsi créés jaillissent du film et atterrissent dans un bac collecteur rempli d'eau. Là, ils sont ralentis et peuvent ensuite être filtrés et récoltés efficacement. L'avantage essentiel de cette méthode par rapport à la production par explosifs est que "les nanodiamants pourraient être taillés sur mesure en termes de taille voire dopés avec d'autres atomes", souligne Dominik Kraus. "Le laser à rayons X signifie que nous avons un outil de laboratoire qui peut contrôler avec précision la croissance des diamants."

Zhiyu He, Melanie Rodel, Julian Lütgert, Armin Bergermann, Mandy Bethkenhagen, Deniza Chekrygina, Thomas E. Cowan, Adrien Descamps, Martin French, Eric Galtier, Arianna E Nobuki Kamimura, Kento Katagiri, Dimitri Khaghani, Hae Ja Lee, Emma E. McBride, Kohei Miyanishi, Bob Nagler, Benjamin Ofori-Okai, Norimasa Ozaki, , Silvia Pandolfi, Chongbing Qu, Divyanshu Ranjan, Ronald Redmer, Christopher Schoenwaelder, Anja K. Schuster, Michael G. Stevenson, Keiichi Sueda, Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Katja Voigt, Jan Vorberger, Makina Yabashi, Toshinori Yabuuchi, Lisa MV Zinta, Alessandra Ravasio et Dominik Kraus, Science Advances.DOI : 10.1126/ sciadv.abo0617