在我們太陽系中，像海王星和天王星這樣寒冷黑暗的世界也被稱為冰質(zhì)巨行星。這類行星的內(nèi)部條件非常極端，溫度可能達(dá)到數(shù)千攝氏度，壓強(qiáng)是地球大氣壓強(qiáng)的數(shù)百萬倍。在這樣的極端內(nèi)部，究竟發(fā)生了什么？

有意思的是，為了找到這個(gè)問題的答案，一組科學(xué)家向著一層PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二酯）塑料薄膜發(fā)射了激光，研究在它其中究竟發(fā)生了什么。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)了早先研究的結(jié)果，這些冰質(zhì)巨行星內(nèi)部確實(shí)下了 " 鉆石雨 "，也就是一種長期以來被認(rèn)為是冰質(zhì)巨行星上的一種奇特的 " 降水 " 類型。他們還發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象甚至可能比先前認(rèn)為的更加普遍。

同時(shí)，借助研究的結(jié)論，科學(xué)家還有望建立一種穩(wěn)定制造納米金剛石的新方法。這種材料在藥物輸送、醫(yī)療傳感器、無創(chuàng)手術(shù)、可持續(xù)制造和量子電子學(xué)方面有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。論文已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

從塑料開始

在先前更早的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員模擬了在冰質(zhì)巨行星海王星和天王星內(nèi)部深處發(fā)現(xiàn)的極端溫度和壓強(qiáng)，并首次觀察到了鉆石雨的形成。

科學(xué)家研究了一種由氫和碳的混合物制成的塑料材料。氫和碳是海王星和天王星整體化學(xué)成分的關(guān)鍵組成部分，那是他們第一次直接觀察到混合物中形成金剛石（鉆石）。從那時(shí)起，已經(jīng)有相當(dāng)多針對(duì)各種純凈材料的實(shí)驗(yàn)。

但是在真實(shí)的行星內(nèi)部，情況要復(fù)雜得多，更多的化學(xué)物質(zhì)混合會(huì)在一起，比如還有大量的氧。

因此，研究人員還想弄清楚的是，這些額外的化學(xué)物質(zhì)會(huì)有什么樣的影響。

冰封的行星

在近期的實(shí)驗(yàn)中，研究人員引入了 PET 塑料，更準(zhǔn)確地再現(xiàn)這些行星的組成。PET 并不罕見，經(jīng)常用于食品包裝、塑料瓶和塑料容器。研究人員介紹，這種材料在碳、氫和氧之間有一種很好的平衡，可以更好地模擬冰質(zhì)行星中的活動(dòng)。

他們使用了直線加速器相干光源（LCLS）的極端條件下的物質(zhì)（MEC）裝置上的一種高功率的光學(xué)激光，在 PET 中制造沖擊波。然后，他們用來自 LCLS 的 X 射線脈沖探測了塑料中發(fā)生的情況。

借助一種被稱為 X 射線衍射的方法，研究人員觀察到了這種材料的原子重新排列成小型金剛石的區(qū)域。他們同時(shí)使用了另一種叫作小角散射的新方法，測量這些區(qū)域增長的速度和大小。使用這種額外的方法，他們能夠確定這些金剛石區(qū)域增長到了數(shù)納米寬。

他們發(fā)現(xiàn)，在材料中存在氧的情況下，納米金剛石能夠在更低的壓強(qiáng)和溫度下生長。氧的作用是加速碳和氫的分裂，從而促進(jìn)納米金剛石的形成。這意味著，碳原子可以更容易地結(jié)合并形成金剛石。

利用塑料瓶制造納米金剛石。（圖／Blaurock, HZDR）

研究人員預(yù)測，海王星和天王星上的金剛石將變得比這些實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的納米金剛石大得多，甚至有可能重量達(dá)數(shù)百萬克拉。成千上萬年來，這些金剛石可能會(huì)慢慢沉入行星的冰層中，并在固態(tài)的行星核周圍聚集成一層厚厚的閃閃發(fā)光的層。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，與金剛石結(jié)合在一起，也有可能形成超離子水。這種最近發(fā)現(xiàn)的水的相，通常被描述為 " 熱黑冰 "，它們存在于極高的溫度和壓強(qiáng)下。在這些極端條件下，水分子分裂，氧原子形成一個(gè)晶格，其中氫原子核自由漂浮。由于這些自由漂浮的核是帶電的，超離子水能夠?qū)щ姡@就可以解釋天王星和海王星上不尋常的磁場。

我們知道地球的核主要由鐵構(gòu)成，但是許多實(shí)驗(yàn)仍然在研究較輕元素的存在如何改變?nèi)刍拖嘧兊臈l件。這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)證明了這些元素如何改變金剛石在冰質(zhì)巨行星上的形成條件。如果想準(zhǔn)確地模擬行星，就要盡可能地接近行星內(nèi)部的實(shí)際組成。

這些發(fā)現(xiàn)還可能影響我們對(duì)遙遠(yuǎn)星系中行星的理解，因?yàn)榭茖W(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，冰質(zhì)巨行星是太陽系之外最常見的行星形式。

未經(jīng)打磨的鉆石

這項(xiàng)新的研究為鉆石雨在其他星球上的形成提供了一個(gè)更完整的圖景。不僅如此，在地球上，這還可能會(huì)帶來一種制造納米金剛石的新方法。

目前制造納米金剛石的方式是取一堆碳或金剛石，然后用炸藥將其炸毀。這會(huì)產(chǎn)生大小和形狀各異的納米金剛石，而且很難控制。研究則指出了一條通過激光驅(qū)動(dòng)沖擊壓縮廉價(jià)的 PET 塑料，來生產(chǎn)納米金剛石的潛在途徑。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)中看到的是同一物種在高溫高壓下的不同反應(yīng)性。在某些情況下，金剛石的形成似乎比其他情況更快，這說明，其他一些化學(xué)物質(zhì)的存在可以加速這一過程。

激光可以提供一種更清潔、更容易控制的方法來生產(chǎn)納米金剛石。如果未來科學(xué)家能設(shè)計(jì)出改變反應(yīng)性的一些方法，就能改變它們形成的速度，從而改變它們變得多大。

接下來，研究人員正計(jì)劃使用含有乙醇、水和氨的液體樣本進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，這將使他們更加接近了解鉆石雨在其他行星上的確切形成過程。