Tia bức xạ biến Nhựa thành Kim cương

Điều gì xảy ra bên trong các hành tinh như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, tại sao lại có “mưa kim cương” bên trong các hành tinh khổng lồ đó. Để tìm hiểu điều này, một nhóm các nhà khoa học quốc tế, đứng đầu là Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Đại học Rostock và École Polytechnique của Pháp, đã tiến hành một thí nghiệm đặc biệt có sử dụng đến bức xạ tia X. Họ bắn tia bức xạ vào một màng nhựa Polyetylen terephtalat (PET) mỏng và kết quả thực sự có “mưa kim cương” xảy ra. Nghiên cứu này mở ra một phương pháp mới có thể được sử dụng để sản xuất kim cương nano, một loại vật liệu rất cần thiết cho các cảm biến lượng tử có độ nhạy cao.

Trên Trái Đất, kim cương có giá trị lớn vì độ hiếm của nó nhưng trên một số hành tinh khác, kim cương nhiều như đá dăm. Chẳng hạn như trên Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, điều kiện bên trong các hành tinh băng khổng lồ này rất khắc nghiệt: nhiệt độ lên tới vài nghìn độ C và áp suất lớn hơn hàng triệu lần so với áp suất khí quyển của Trái đất. Áp suất cực lớn đó nén các nguyên tố như hydro và carbon để tạo thành kim cương, sau đó rơi xuống bầu khí quyển như một cơn mưa. Tuy nhiên, các trạng thái như thế có thể được mô phỏng đơn giản trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng tia bức xạ cường độ cao chiếu vào một mẫu vật liệu giống như phim, làm nóng lên đến 6.000^oC trong vài nano giấy và tạo ra một sóng xung kích nén vật liệu gấp một triệu lần áp suất khí quyển. Dominik Kraus, nhà vật lý tại HZDR và là giáo sư tại Đại học Rostock, giải thích: “Cho đến nay, màng hydrocacbon được chúng tôi sử dụng chủ yếu trong những thí nghiệm này. Và chúng tôi phát hiện ra rằng áp suất cực lớn sẽ tạo ra những viên kim cương nhỏ, được gọi là kim cương nano”.

Trong thí nghiệm, tia bức xạ cường độ cao được bắn vào một tấm nhựa PET mỏng giống như lá kim loại đã được làm nóng trong thời gian ngắn lên đến 6000^oC, tạo ra một sóng xung kích nén vật chất xuống hàng triệu lần áp suất khí quyển trong vài nano giây. Các nhà khoa học đã xác định rằng những viên kim cương cỡ nano có thể hình thành dưới áp suất cực lớn (Nguồn: Blaurock / HZDR).

Tuy nhiên, khi sử dụng những tấm phim này, chúng ta chỉ có thể mô phỏng được một phần bên trong các hành tinh bởi các khối băng khổng lồ không chỉ chứa carbon và hydro mà còn chứa một lượng lớn oxy. Khi tìm kiếm chất liệu phim phù hợp, nhóm đã tìm đến một dạng chất rất phổ biến là nhựa PET, một loại nhựa tạo ra những chai nhựa thông thường. Kraus giải thích: PET có sự cân bằng tốt giữa carbon, hydro và oxy để mô phỏng hoạt động của các hành tinh băng. Nhóm đã tiến hành các thí nghiệm của mình tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC ở California, nơi đặt nguồn phát tia X cường độ cao kết hợp máy gia tốc LINAC (LCLS). Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống này để phân tích hiện tượng xảy ra khi các chiếu các tia X cường độ cao vào phim PET, sử dụng hai phương pháp đo cùng một lúc: nhiễu xạ tia X để xác định liệu kim cương nano có được tạo ra hay không và cái gọi là tán xạ góc nhỏ để xem những viên kim cương đó phát triển nhanh và lớn như thế nào.

Sao Thiên vương

Dominik Kraus cho biết: Tác dụng của oxy là đẩy nhanh quá trình tách carbon và hydro và do đó thúc đẩy hình thành kim cương nano. Điều đó có nghĩa là các nguyên tử carbon có thể kết hợp lại dễ dàng hơn. Kết quả thu được hỗ trợ cho giả thiết rằng thực tế có mưa kim cương bên trong những khối băng khổng lồ. Phát hiện này có lẽ không chỉ liên quan đến Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương mà còn với vô số các hành tinh khác trong thiên hà. Khi những hành tinh băng khổng lồ như vậy từng được coi là của hiếm, thì giờ đây rõ ràng rằng chúng là dạng hành tinh phổ biến nhất bên ngoài hệ mặt trời.

Nhóm nghiên cứu cũng gặp một số kết quả khác: Khi kết hợp với kim cương, nước sẽ được tạo ra nhưng ở một dạng biến thể bất thường. Kraus cho biết: Cái gọi là nước siêu cường có thể được hình thành. Các nguyên tử oxy tạo thành một mạng tinh thể trong đó các hạt nhân hydro có thể chuyển động tự do. Bởi các hạt nhân mang điện, nước siêu cường có thể dẫn dòng điện và do đó giúp tạo ra từ trường ở những hành tinh bang khổng lồ đó.

Ngoài kiến ​​thức khá cơ bản này, thí nghiệm mới còn mở ra triển vọng cho một kỹ thuật ứng dụng: sản xuất kim cương có kích thước nano. Trong tương lai, chúng sẽ được sử dụng làm cảm biến lượng tử có độ nhạy cao, chất tương phản y tế và máy gia tốc phản ứng để tách CO₂. Cho đến nay, những viên kim cương loại này chủ yếu được sản xuất bằng cách kích nổ. Với sự trợ giúp của tia bức xạ, chúng có thể được sản xuất tinh khiết hơn nhiều.

Một tia bức xạ hiệu suất cao bắn ra 10 tia mỗi giây vào một tấm phim PET khoảng thời gian là một phần mười giây. Các viên kim cương nano bị bắn ra khỏi phim và ngưng lại trong một bể thu chứa đầy nước. Ở đó chúng được giảm tốc và sau đó được lọc, thu hoạch. Ưu điểm của phương pháp này là các viên kim cương nano có thể được cắt tùy chỉnh theo kích thước hoặc thậm chí pha tạp với các nguyên tử khác.