Que se passe-t-il à l'intérieur des planètes comme Neptune et Uranus ? Pour le savoir, une équipe internationale dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), l'Université de Rostock et l'École polytechnique française a mené une expérience inédite. Ils ont tiré un laser sur un mince film de plastique PET simple et ont enquêté sur ce qui s'était passé en utilisant des flashs laser intensifs. L'un des résultats a été que les chercheurs ont pu confirmer leur thèse antérieure selon laquelle il pleut vraiment des diamants à l'intérieur des géantes de glace à la périphérie de notre système solaire. Et un autre était que cette méthode pourrait établir une nouvelle façon de produire des nanodiamants, qui sont nécessaires, par exemple, pour les capteurs quantiques très sensibles. Le groupe a présenté ses découvertes dans la revue Science Advances .

Les conditions à l'intérieur des planètes géantes glacées comme Neptune et Uranus sont extrêmes :les températures atteignent plusieurs milliers de degrés Celsius et la pression est des millions de fois supérieure à celle de l'atmosphère terrestre. Néanmoins, des états comme celui-ci peuvent être simulés brièvement en laboratoire :de puissants éclairs laser frappent un échantillon de matériau semblable à un film, le chauffent jusqu'à 6 000 degrés Celsius en un clin d'œil et génèrent une onde de choc qui comprime le matériau pendant quelques nanosecondes. à un million de fois la pression atmosphérique.

"Jusqu'à présent, nous utilisions des films d'hydrocarbures pour ce genre d'expériences", explique Dominik Kraus, physicien au HZDR et professeur à l'université de Rostock. "Et nous avons découvert que cette pression extrême produisait de minuscules diamants, appelés nanodiamants."

En utilisant ces films, cependant, 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 est tombé sur une substance de tous les jours :le PET, la résine à partir de laquelle les bouteilles en plastique ordinaires sont fabriquées. "Le PET a un bon équilibre entre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène pour simuler l'activité des planètes de glace", explique Kraus.

L'équipe a mené ses expériences au SLAC National Accelerator Laboratory en Californie, où se trouve le Linac Coherent Light Source (LCLS), un puissant laser à rayons X basé sur un accélérateur. Ils l'ont utilisé pour analyser ce qui se passe lorsque des flashs laser intensifs frappent un film PET, en utilisant deux méthodes de mesure en même temps :la diffraction des rayons X pour déterminer si des nanodiamants ont été produits et la diffusion dite aux petits angles pour voir à quelle vitesse et quelle taille les diamants ont grandi.

Une grande aide :l'oxygène

"L'effet de l'oxygène était d'accélérer la séparation du carbone et de l'hydrogène et ainsi d'encourager la formation de nanodiamants", explique Dominik Kraus, faisant état des résultats. "Cela signifiait que les atomes de carbone pouvaient se combiner plus facilement et former des diamants." Cela confirme davantage l'hypothèse selon laquelle il pleut littéralement des diamants à l'intérieur des géants de glace. Les découvertes ne sont probablement pas seulement pertinentes pour Uranus et Neptune, mais également pour d'innombrables autres planètes de notre galaxie. Alors que ces géantes de glace étaient autrefois considérées comme des raretés, il semble maintenant clair qu'elles sont probablement la forme la plus courante de planète en dehors du système solaire.

L'équipe a également rencontré des indices d'un autre type :en combinaison avec les diamants, de l'eau devrait être produite, mais dans une variante inhabituelle. "De l'eau dite superionique peut s'être formée", explique Kraus. "Les atomes d'oxygène forment un réseau cristallin dans lequel les noyaux d'hydrogène se déplacent librement."

Parce que 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. HZDR y dirige le consortium international d'utilisateurs HIBEF qui offre des conditions idéales pour des expériences de ce type.

Usine de précision pour les nanodiamants

En plus de ces connaissances plutôt fondamentales, 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 hautement sensibles, agents de contraste médicaux et accélérateurs de réaction efficaces, pour séparer le CO₂ par exemple. "Jusqu'à présent, les diamants de ce type ont été principalement produits en faisant exploser des explosifs", explique Kraus. "Avec l'aide de flashs laser, ils pourraient être fabriqués de manière beaucoup plus propre à l'avenir."

Un laser haute performance déclenche dix flashs 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. L'avantage essentiel de cette méthode par rapport à la production par explosifs est que "les nanodiamants pourraient être taillés sur mesure en ce qui concerne la taille ou même être dopés avec d'autres atomes", explique Dominik Kraus. "Le laser à rayons X signifie que nous avons un outil de laboratoire qui peut contrôler avec précision la croissance des diamants." + Explorer plus loin

La "pluie de diamants" sur les planètes glacées géantes pourrait être plus courante qu'on ne le pensait