Oamenii de știință au folosit lasere pentru a transforma plasticul în diamante minuscule

Se spune că gunoiul unora este comoara altora.

Acum, o echipă internațională de oameni de știință a reușit să facă această afirmație literală transformând plasticul ieftin din polietilen tereftalat (PET) în nanodiamante – diamante sintetice, microscopice.

„În câteva nanosecunde, […] 10% din toți atomii de carbon din această probă de plastic sunt transformați în diamante foarte mici”, a declarat pentru PlanetaNoastra Dominik Kraus, coautor al studiului și profesor la Institutul de Fizică al Universității din Rostock. „Și aceste nanodiamante foarte mici pot avea – sau deja au într-o anumită formă, dar poate chiar mai mult în viitor – aplicații foarte interesante pentru tehnologie.”

Chimia extraterestră

Transformarea, publicată în Science Advances în toamna anului 2022, a fost o mică surpriză, spune Kraus. Asta deoarece echipa de cercetare – de la Laboratorul Național de Accelerare SLAC al Departamentului Energiei din California, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Universitatea din Rostock din Germania și École Polytechnique din Franța – nu încerca să găsească utilizări terestre pentru plastic, ci mai degrabă să înțeleagă chimia altor planete.

„Inițial, acest lucru a fost motivat de dorința de a obține o imagine mai bună despre ce fel de chimie se întâmplă în interiorul planetelor gigantice precum Neptun și Uranus”, spune Kraus.

Acest lucru este important pentru înțelegerea universului în general, deoarece oamenii de știință cred că giganții de gheață sunt cel mai comun tip de planetă dincolo de sistemul nostru solar. La nivel elementar, aceste planete sunt compuse în mare parte din carbon, hidrogen și oxigen, cu puțin azot, spune Kraus. Cu toate acestea, modul în care aceste elemente interacționează în condiții planetare extreme este cel care îi fascinează cu adevărat pe oamenii de știință. Este posibil ca condițiile de pe aceste planete să genereze un tip special de apă numit apă superionică. Ele ar putea, de asemenea, cauza căderea diamantelor sub formă de ploaie.

Ce este apa superionică? „Apa superionică este o formă de apă prezisă, în care atomii de oxigen formează o rețea cristalină, iar nucleele de hidrogen [sunt] apoi oarecum capabile să se miște liber prin această rețea de oxigen”, spune Kraus.

Prezența acestei ape superionice ar putea explica câmpurile magnetice unice despre care oamenii de știință cred că există pe aceste planete, au scris autorii studiului.

Pentru a încerca să își dea seama ce s-ar putea întâmpla pe aceste planete, oamenii de știință trebuie să le replice cumva condițiile extreme – cu temperaturi de mii de grade Celsius și presiune atmosferică de milioane de ori mai mare decât cea a Pământului – în laborator. Ei fac acest lucru bombardând un material filmat cu un laser de mare putere care poate încălzi filmul până la ~3316 grade Celsius, producând o undă de șoc ce multiplică presiunea asupra materialului de un milion de ori. Apoi folosesc laserul special cu raze X bazat pe accelerator Linac Coherent Light Source (LCLS), situat la Laboratorul Național de Accelerare SLAC, pentru a observa ce se întâmplă atunci când impulsurile laser lovesc filmul.

Experimentele anterioare în care s-a bombardat polistiren – un plastic compus din hidrogen și carbon – au dus la dovezi că precipitațiile de diamante s-ar putea forma cu adevărat pe aceste planete. Cu toate acestea, aceste planete au, de asemenea, multă apă, iar oamenii de știință cred că apa superionică s-ar forma probabil atunci când carbonul și apa se separă.

Acesta este motivul pentru care s-au orientat către PET, care are formula chimică C10H8O4. Acest experiment a generat nanodiamantele – și a consolidat dovezile științifice că giganții de gheață ar putea experimenta atât ploaie de diamante, cât și apă superionică.

„Știm că miezul Pământului este predominant din fier, dar multe experimente investighează încă modul în care prezența elementelor mai ușoare poate schimba condițiile de topire și tranzițiile de fază”, a declarat Silvia Pandolfi, om de știință SLAC și coautoare a studiului, într-un comunicat de presă al SLAC. „Experimentul nostru demonstrează cum aceste elemente pot schimba condițiile în care se formează diamantele pe giganții de gheață. Dacă vrem să modelăm planetele cu precizie, atunci trebuie să ne apropiem cât mai mult posibil de compoziția reală a interiorului planetar.”

Aplicații terestre

Deși aceasta nu a fost intenția experimentului, cercetătorii cred că ar fi putut dezvolta o nouă metodă pentru generarea nanodiamantelor din material ieftin.

„Modul în care sunt create nanodiamantele în prezent este prin a lua o grămadă de carbon sau diamant și a-l arunca în aer cu explozibili”, a declarat Benjamin Ofori-Okai, om de știință SLAC și coautor al studiului, în comunicatul de presă. „Acest lucru creează nanodiamante de diverse mărimi și forme și este greu de controlat. Ceea ce vedem în acest experiment este o reactivitate diferită a aceleiași specii la temperatură și presiune ridicată. În unele cazuri, diamantele par să se formeze mai repede decât în altele, ceea ce sugerează că prezența acestor alte substanțe chimice poate accelera acest proces. Producția cu laser ar putea oferi o metodă mai curată și mai ușor de controlat pentru a produce nanodiamante. Dacă putem proiecta modalități de a schimba anumite aspecte ale reactivității, putem schimba cât de repede se formează și, prin urmare, cât de mari devin.”

Kraus spune că este puțin probabil ca procesul să fie extins ca soluție la poluarea cu plastic, dar ar putea totuși oferi o a doua viață utilă unei anumite cantități de plastic. Nanodiamantele sunt utilizate în prezent în materiale abrazive și agenți de lustruire, conform SLAC. Cu toate acestea, potențialele aplicații viitoare includ senzori cuantici, agenți de contrast pentru uz medicinal și acceleratori pentru reacții chimice, inclusiv scindarea dioxidului de carbon, conform HZDR.

În special, Kraus crede că nanodiamantele ar putea ajuta la fotocataliza dioxidului de carbon – un proces care utilizează lumina pentru a converti gazul cu efect de seră în hidrogen sau metan.

„[P]uneți, de exemplu, apă cu acele nanodiamante și lumina soarelui pe ea și apoi treceți dioxidul de carbon prin această regiune de apă”, explică Kraus.

Unii oameni de știință au susținut că reciclarea dioxidului de carbon în acest mod ar putea fi o soluție climatică prin generarea unei surse mai durabile de metan care nu ar necesita extragerea suplimentară de combustibili fosili din sub Pământ. Cu toate acestea, Matteo Pasquali, Profesor A. J. Hartsook de Inginerie Chimică & Biomoleculară, Chimie și Știința Materialelor & Nanoinginerie la Universitatea Rice, aruncă un duș rece peste aceste afirmații.

„Emisiile de dioxid de carbon generate de om sunt cauza schimbărilor climatice și nu pot fi soluția”, a declarat el pentru PlanetaNoastra. „Emitem dioxid de carbon deoarece acesta este generat atunci când ardem cărbune, petrol și gaze (metan) pentru a produce energie. Desigur, necesită mai multă energie pentru a reconverti CO2 în metan (sau petrol, sau gaze) decât energia care a fost extrasă din metan. Acest lucru este independent de tehnologie și se datorează primei și celei de-a doua legi a termodinamicii care, de exemplu, afirmă că nu se poate genera energie într-un proces ciclic și că este necesară o intrare externă de energie pentru a rula procese ciclice.”

El crede că într-un viitor în care factorii de decizie politică vor reuși să elimine emisiile de gaze cu efect de seră, ar putea fi posibil să se utilizeze energia regenerabilă pentru a recicla dioxidul de carbon în carbon, dar crede și că sistemele naturale ar absorbi cu succes excesul de carbon atmosferic dacă oamenii ar înceta pur și simplu să ardă combustibili fosili.

De asemenea, nu crede că nanodiamantele ar ajuta la reciclarea dioxidului de carbon.

Deși pare puțin probabil ca utilizarea laserelor pentru a transforma sticlele de plastic în diamante minuscule să facă parte din soluția crizelor majore de mediu cu care se confruntă planeta noastră, este totuși o reamintire a întâmplărilor fericite produse de procesul științific. Kraus spune că un element deosebit de „distractiv” al descoperirilor a fost că cercetarea în astrofizică a dus la potențiale aplicații terestre. Pentru el, este o reamintire că știința nu trebuie să fie doar despre rezolvarea problemelor. Uneori, punerea întrebărilor din curiozitate poate duce la soluții pe care nici măcar nu le căutai.

„Cercetarea bazată pe curiozitate este, de asemenea, foarte importantă și există multe exemple despre cum aceasta a transformat lumea noastră”, spune el.

În continuare, Kraus speră atât să afle mai multe despre ce se întâmplă pe giganții de gheață, cât și să găsească modalități de a produce mai multe nanodiamante.