Điều gì xảy ra bên trong các hành tinh như sao Hải Vương và sao Thiên Vương? Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đứng đầu là phòng thí nghiệm Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Đại học Rostock ở Đức và trường École Polytechnique của Pháp đã tiến hành một thí nghiệm mới.

Họ bắn tia laser vào một màng mỏng bằng nhựa PET và điều tra xem điều gì đã xảy ra bằng cách sử dụng đèn flash laser chuyên sâu.

Mưa kim cương trong các hành tinh băng khổng lồ

Kết quả có được giúp các nhà nghiên cứu có thể xác nhận luận điểm của họ trước đó rằng thực sự có mưa kim cương trong các hành tinh khổng lồ trên ở ngoại vi hệ mặt trời của chúng ta.

Bên cạnh đó, nó cho thấy phương pháp này có thể thiết lập một cách mới để sản xuất kim cương nano - vật liệu cần thiết cho các cảm biến lượng tử có độ nhạy cao. Nhóm đã trình bày những phát hiện của mình trên tạp chí Science Advances.

Nhà vật lý tại HZDR và là Giáo sư tại Đại học Rostock là Dominik Kraus giải thích, cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã sử dụng màng hydrocacbon cho những loại thí nghiệm trên. Họ đã phát hiện ra áp suất cực lớn đã tạo ra những viên kim cương cực nhỏ, được gọi là kim cương nano.

Tuy nhiên, việc sử dụng những tấm phim này chỉ có thể mô phỏng một phần bên trong các hành tinh bởi vì 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 chất quen thuộc hàng ngày. Đó là PET, một loại nhựa được tạo ra từ những chai nhựa thông thường.

Giáo sư 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 (Mỹ) để phân tích điều sẽ xảy ra khi các tia sáng laser chuyên sâu chiếu vào tấm phim PET.

Họ sử dụng 2 phương pháp đo cùng 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 lớn lên như thế nào.

Một trợ giúp lớn đến từ oxy

Mô phỏng lõi sao Hải Vương và sao Thiên Vương.

Báo cáo về kết quả trên, Giáo sư Dominik Kraus cho biết, tác dụng của oxy là đẩy nhanh quá trình phân tách carbon và hydro và do đó khuyến khích sự hình thành kim cương nano. Điều đó có nghĩa là các nguyên tử carbon có thể kết hợp dễ dàng hơn và tạo thành kim cương.

Quá trình trên ủng hộ giả thiết rằng, mưa kim cương có thể thực sự được tạo ra bên trong những khối băng khổng lồ. Những phát hiện có lẽ không chỉ liên quan đến sao Thiên Vương và sao Hải Vương mà còn với vô số hành tinh khác trong thiên hà của chúng ta. Trong khi những ngôi sao băng khổng lồ như vậy từng được coi là của hiếm, thì giờ đây, có vẻ như chúng có lẽ là dạng hành tinh phổ biến nhất bên ngoài Hệ Mặt trời.

Nhóm nghiên cứu cũng gặp phải những gợi ý khác: Khi kết hợp với kim cương, nước sẽ được tạo ra - nhưng ở một dạng biến thể bất thường. Ông Kraus cho biết, cái gọi là nước siêu ion này có thể đã hình thành. Các nguyên tử oxy tạo thành một mạng tinh thể trong đó các hạt nhân hydro chuyển động tự do.

Bởi vì các hạt nhân mang điện, nước siêu ion có thể dẫn dòng điện và do đó giúp tạo ra từ trường của những hành tinh băng khổng lồ. Tuy nhiên, trong các thí nghiệm của mình, nhóm nghiên cứu vẫn chưa thể chứng minh một cách rõ ràng sự tồn tại của nước siêu ion trong hỗn hợp với kim cương.

Điều này đã được lên kế hoạch thực hiện với sự hợp tác chặt chẽ của Đại học Rostock tại European XFEL ở Hamburg – nơi có loại tia X laser mạnh nhất thế giới. Tại đây, HZDR cung cấp các điều kiện lý tưởng cho các thí nghiệm kiểu này.

Nhà máy tạo ra kim cương nano

Ngoài kiến thức khá cơ bản trên, thí nghiệm mới còn mở ra triển vọng cho một ứng dụng kỹ thuật. Đó là sản xuất kim cương có kích thước nanomet vốn có trong chất mài mòn và chất đánh bóng. Trong tương lai, có thể 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 hiệu quả, ví dụ để tách CO2.

Ông Kraus giải thích, cho đến nay, những viên kim cương loại này chủ yếu được sản xuất bằng cách kích hoạt chất nổ. Với sự trợ giúp của đèn flash laser, trong tương lai, chúng có thể được sản xuất theo cách sạch hơn nhiều.

Tầm nhìn của các nhà khoa học là có thể thu hoạch kim cương nano một cách hiệu quả. Phương pháp này trái hẳn với việc sản xuất bằng chất nổ vì các viên kim cương nano có thể được cắt tùy chỉnh theo kích thước hoặc thậm chí pha tạp với các nguyên tử khác. Theo Giáo sư Kraus, các nhà nghiên cứu có công cụ ở phòng thí nghiệm để kiểm soát chính xác sự phát triển của kim cương.