Raphael ThysIllustration de la production de nanodiamants par jeu de lasers sur une bouteille en plastique. | Blaurock/HZDR
Certains scientifiques suggèrent que, sur les planètes glacées telles qu’Uranus et Neptune, au vu de leurs atmosphères, il pleut littéralement des diamants. Si la preuve n’a jamais réellement été apportée, récemment, des chercheurs ont utilisé des impulsions laser pour simuler l’intérieur de ces planètes de glace, en utilisant de simples bouteilles en plastique. Ils ont ainsi révélé un nouveau processus de production de nanodiamants. Une avancée certaine en astrophysique, mais aussi dans le domaine industriel et de l’informatique quantique.
Les planètes géantes de glace telles que Neptune et Uranus sont très abondantes dans notre galaxie. Les scientifiques estiment que l’intérieur de ces objets célestes est principalement composé d’un mélange dense d’eau, de méthane et d’ammoniac. En raison des pressions et des températures élevées au cœur de ces planètes, le mélange de matériaux subit probablement des réactions chimiques et des transitions structurelles.
Un exemple de ces réactions est la dissociation possible des hydrocarbures, permettant la formation de diamants et vraisemblablement d’hydrogène métallique ou d’eau superionique, qui peuvent agir comme source de chaleur et aider à expliquer la génération des champs magnétiques uniques sur les géantes de glace.
Il faut savoir que des états comme celui-ci peuvent être simulés brièvement en laboratoire afin de comprendre ce qu’il se passe au sein d’Uranus et Neptune : de puissantes impulsions laser frappent un échantillon de matériau semblable à un film, le chauffent jusqu’à 6000 degrés Celsius en quelques secondes à peine et génèrent une onde de choc qui comprime le matériau pendant quelques nanosecondes à un million de fois la pression atmosphérique.
Mais les expériences ne simulent que partiellement l’intérieur des planètes qui contiennent de l’oxygène. Or, il n’est pas pris en compte dans les expériences actuelles. Récemment, une équipe internationale dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), l’Université de Rostock et l’École polytechnique française, a utilisé des échantillons de PET, le polymère à partir duquel les bouteilles en plastique sont fabriquées, qu’ils ont frappé avec un puissant rayon laser. Les scientifiques ont alors observé la formation de minuscules diamants, appelés nanodiamants, sous la pression extrême. Leurs résultats sont publiés dans la revue Science Advances.
Des diamants et de l’eau créés grâce à la présence d’oxygène
Comme mentionné précédemment, en utilisant des films d’hydrocarbures dits classiques, il n’a été que partiellement possible de simuler l’intérieur des planètes, car les géantes de glace contiennent non seulement du carbone et de l’hydrogène, mais également de grandes quantités d’oxygène.
Lors de la recherche d’un matériau de film approprié, le groupe de recherche s’est penché sur le PET. Dominik Kraus, physicien au HZDR et professeur à l’université de Rostock, déclare dans un communiqué : « Le PET a un bon équilibre entre le carbone, l’hydrogène et l’oxygène pour simuler l’activité des planètes de glace ».
Afin de tester le nouveau matériau, l’équipe a mené ses expériences au SLAC National Accelerator Laboratory en Californie, l’emplacement de la source de lumière cohérente Linac (LCLS), un puissant laser à rayons X basé sur un accélérateur linéaire. Ils l’ont utilisé pour analyser le résultat issu de flashs laser intensifs frappant un film PET, en utilisant deux méthodes de mesure simultanément : la diffraction des rayons X pour déterminer si des nanodiamants ont été produits et la diffusion dite aux petits angles pour l’analyse structurelle des matériaux produits.
Ici, l’oxygène a joué un rôle essentiel dans les réactions de formation de diamants, comme l’explique Dominik Kraus : « L’effet de l’oxygène était d’accélérer la séparation du carbone et de l’hydrogène et d’encourager ainsi la formation de nanodiamants ». Il ajoute : « Cela signifiait que les atomes de carbone pouvaient se combiner plus facilement et former des diamants ».
Ces résultats confirment l’hypothèse des scientifiques concernant la pluie de diamants à l’intérieur des atmosphères des géantes de glace. Les découvertes ne sont probablement pas seulement pertinentes pour Uranus et Neptune, mais également pour d’innombrables autres planètes de la galaxie. Alors que ces géantes de glace étaient autrefois considérées comme des raretés, il semble maintenant clair qu’elles sont probablement le type le plus courant de planète en dehors du système solaire.
De plus, l’équipe a également noté la possibilité, en combinaison avec les diamants, d’une production d’eau, mais dans une variante inhabituelle. Dominik Kraus déclare : « De l’eau dite superionique peut s’être formée. Les atomes d’oxygène forment un réseau cristallin dans lequel les noyaux d’hydrogène se déplacent librement ». En conséquence, comme les noyaux sont chargés électriquement, l’eau superionique peut conduire le courant électrique et ainsi aider à créer le champ magnétique des géantes de glace.
Dans leurs expériences, cependant, le groupe de recherche n’a pas encore été en mesure de prouver sans équivoque l’existence d’eau superionique dans le mélange avec des diamants. Cela devrait se produire en étroite collaboration avec l’Université de Rostock à l’European XFEL à Hambourg, le laser à rayons X le plus puissant au monde.
Une découverte utile à l’industrie et l’informatique
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Outre ces connaissances fondamentales en astrophysique, la nouvelle expérience ouvre également des perspectives pour une application technique : la production sur mesure de diamants de taille nanométrique, qui sont déjà inclus dans les abrasifs et les agents de polissage. À l’avenir, ils sont censés être utilisés comme capteurs quantiques très sensibles, agents de contraste médicaux et accélérateurs de réaction, pour séparer le CO2 par exemple. Dominik Kraus explique : « Jusqu’à présent, les diamants de ce type ont été principalement produits par explosion. Avec l’aide de flashs laser, ils pourraient être fabriqués de manière beaucoup plus propre ».
Finalement, les scientifiques suggèrent un moyen de produire des nanodiamants par simple compression par choc laser de plastiques PET bon marché, filière de recyclage potentielle. Concrètement, un laser haute performance déclenche dix éclairs par seconde sur un film PET qui est éclairé par le faisceau à des intervalles d’un dixième de seconde. Les nanodiamants ainsi créés « jaillissent » du film et atterrissent dans un bac collecteur rempli d’eau. Là, ils sont ralentis et peuvent ensuite être filtrés et récoltés efficacement.
Dominik Kraus conclut sur l’avantage certain de cette méthode par rapport à la production par explosifs : « les nanodiamants pourraient être taillés sur mesure ou même être dopés avec d’autres atomes. Le laser à rayons X signifie que nous avons un outil de laboratoire qui peut contrôler avec précision la croissance des diamants ».