Produção de diamante usando feixes de íons pesados ​​intensos na instalação FAIR e aplicação à física planetária

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1459 (2023) Citar este artigo

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Os diamantes estão supostamente abundantemente presentes em diferentes objetos do Universo, incluindo meteoritos, estrelas ricas em carbono, bem como planetas extrasolares ricos em carbono. Além disso, foi verificada experimentalmente a previsão de que nas camadas profundas de Urano e Netuno, o metano pode sofrer um processo de separação de fases em diamante e hidrogênio. Em particular, lasers de alta potência têm sido usados ​​para estudar esse problema. É importante, portanto, do ponto de vista da astrofísica e da física planetária, aprofundar o estudo dos processos de produção do diamante em laboratório. No presente artigo, apresentamos simulações numéricas da implosão de uma amostra sólida de carbono usando um feixe intenso de urânio que será entregue pelo síncrotron de íons pesados, SIS100, que está em construção no Facility for Antiprotons and Ion Research (FAIR), em Darmstadt. Esses cálculos mostram que usando nosso esquema experimental proposto, pode-se gerar condições extremas de pressão e temperatura, necessárias para produzir diamantes de dimensões mm3.

Os diamantes são onipresentes no Universo. Minúsculos diamantes (nanodiamantes), que contêm até 2.000 átomos de carbono, são abundantes em meteoritos, enquanto alguns são formados em estrelas antes mesmo da existência do Sistema Solar1. Também é proposto que existem diamantes em estrelas ricas em carbono, particularmente em anãs brancas2. Além disso, espera-se que alguns planetas extrasolares ricos em carbono possam ser diamantes quase puros3,4. Como o acesso direto a esses objetos é obviamente extremamente desafiador, estudos complementares dos processos que levam à produção de diamantes em laboratório serão muito úteis para entender a formação e a evolução de diferentes objetos celestes. Isso pode ser conseguido submetendo o carbono e seus compostos às condições físicas extremas que existem nos interiores planetários e nas estrelas que transformam o carbono em diamante. Outra área de pesquisa que se beneficiará desses estudos é a investigação das condições de formação de várias estruturas desordenadas de carbono produzidas como resultado de grandes impactos de asteroides. Por exemplo, estruturas de diamante chamadas diaphites5,6,7, que foram descobertas nos locais de impacto, Canyon Diablo e Popigai. Devido às propriedades eletrônicas e mecânicas especiais dessas formas de diamante, elas podem ter alto potencial de significado industrial, o que reforça sua importância.

Experimentos de alta pressão sugerem que grande quantidade de diamantes são formados a partir do metano nos planetas gigantes de gelo, Urano e Netuno. Em um experimento recente8, no qual uma amostra de poliestireno foi comprimida dinamicamente usando um laser, foram alcançadas condições físicas extremas que se espera que existam cerca de 10.000 km abaixo das superfícies de Urano e Netuno. Estes incluem uma pressão de 150 GPa e uma temperatura de 5000 K. Este experimento demonstrou a separação de carbono-hidrogênio e precipitação de diamante sob estas condições. Em outro experimento9 que usou um pulso de laser de 100 femtossegundos para irradiar uma amostra de grafite pirolítico altamente orientado, observou-se a formação de cristais de diamante cúbico em nanoescala em áreas irradiadas com laser.

Os feixes intensos de partículas são agora considerados uma nova ferramenta que pode ser usada para gerar amostras estendidas de matéria de alta densidade de energia (HED) com condições bastante uniformes. É interessante notar que o equilíbrio termodinâmico local é estabelecido no material devido ao longo tempo de vida da amostra, em comparação com os alvos aquecidos a laser. Um complexo acelerador exclusivo chamado Facility for Antiprotons and Ion Research (FAIR) está em construção em Darmstadt. Este é um projeto internacional que inclui a construção de um síncrotron de íons pesados, SIS100, que fornecerá intensos feixes de partículas de todas as espécies estáveis, desde prótons até urânio. A física de alta densidade de energia (HED) é um dos campos de pesquisa que será estudado minuciosamente nesta instalação. Uma colaboração internacional chamada HEDP@FAIR10 foi formada para supervisionar a construção das instalações experimentais e, posteriormente, organizar a execução dos experimentos. Uma proposta científica interessante foi preparada para os experimentos de física HED a serem realizados por esta colaboração. Esta proposta experimental resultou de extensos estudos teóricos nas últimas duas décadas, que incluem simulações numéricas detalhadas e modelagem analítica relatadas em inúmeras publicações, ver por exemplo11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34. De acordo com esses estudos, um feixe de íons pode ser empregado para gerar matéria HED usando dois esquemas completamente diferentes. Em um caso, estados de alta entropia e alta pressão são gerados em material sólido por aquecimento direto isocórico e uniforme pela viga. A subsequente expansão isentrópica do material aquecido permitirá acessar importantes estados de HED, incluindo um líquido quente expandido, estado bifásico líquido-gás, parâmetros críticos e plasmas fortemente acoplados. Esses experimentos denominados HIHEX (Heavy Ion Heating and Expansion) serão realizados na FAIR para medir a equação de estado (EOS) e as propriedades de transporte dessas diferentes fases da matéria HED.