一场钻石雨

在我们太阳系中，像海王星和天王星这样寒冷黑暗的世界也被称为冰质巨行星。这类行星的内部条件非常极端，温度可能达到数千摄氏度，压强是地球大气压强的数百万倍。在这样的极端内部，究竟发生了什么？

有意思的是，为了找到这个问题的答案，一组科学家向着一层PET（聚对苯二甲酸乙二酯）塑料薄膜发射了激光，研究在它其中究竟发生了什么。

这项实验再次证实了早先研究的结果，这些冰质巨行星内部确实下了 " 钻石雨 "，也就是一种长期以来被认为是冰质巨行星上的一种奇特的 " 降水 " 类型。他们还发现，这种现象甚至可能比先前认为的更加普遍。

同时，借助研究的结论，科学家还有望建立一种稳定制造纳米金刚石的新方法。这种材料在药物输送、医疗传感器、无创手术、可持续制造和量子电子学方面有着相当广泛的应用。论文已发表在《科学进展》上。

从塑料开始

在先前更早的一项实验中，研究人员模拟了在冰质巨行星海王星和天王星内部深处发现的极端温度和压强，并首次观察到了钻石雨的形成。

科学家研究了一种由氢和碳的混合物制成的塑料材料。氢和碳是海王星和天王星整体化学成分的关键组成部分，那是他们第一次直接观察到混合物中形成金刚石（钻石）。从那时起，已经有相当多针对各种纯净材料的实验。

但是在真实的行星内部，情况要复杂得多，更多的化学物质混合会在一起，比如还有大量的氧。

因此，研究人员还想弄清楚的是，这些额外的化学物质会有什么样的影响。

冰封的行星

在近期的实验中，研究人员引入了 PET 塑料，更准确地再现这些行星的组成。PET 并不罕见，经常用于食品包装、塑料瓶和塑料容器。研究人员介绍，这种材料在碳、氢和氧之间有一种很好的平衡，可以更好地模拟冰质行星中的活动。

他们使用了直线加速器相干光源（LCLS）的极端条件下的物质（MEC）装置上的一种高功率的光学激光，在 PET 中制造冲击波。然后，他们用来自 LCLS 的 X 射线脉冲探测了塑料中发生的情况。

借助一种被称为 X 射线衍射的方法，研究人员观察到了这种材料的原子重新排列成小型金刚石的区域。他们同时使用了另一种叫作小角散射的新方法，测量这些区域增长的速度和大小。使用这种额外的方法，他们能够确定这些金刚石区域增长到了数纳米宽。

他们发现，在材料中存在氧的情况下，纳米金刚石能够在更低的压强和温度下生长。氧的作用是加速碳和氢的分裂，从而促进纳米金刚石的形成。这意味着，碳原子可以更容易地结合并形成金刚石。

利用塑料瓶制造纳米金刚石。（图／Blaurock, HZDR）

研究人员预测，海王星和天王星上的金刚石将变得比这些实验中产生的纳米金刚石大得多，甚至有可能重量达数百万克拉。成千上万年来，这些金刚石可能会慢慢沉入行星的冰层中，并在固态的行星核周围聚集成一层厚厚的闪闪发光的层。

团队还发现，与金刚石结合在一起，也有可能形成超离子水。这种最近发现的水的相，通常被描述为 " 热黑冰 "，它们存在于极高的温度和压强下。在这些极端条件下，水分子分裂，氧原子形成一个晶格，其中氢原子核自由漂浮。由于这些自由漂浮的核是带电的，超离子水能够导电，这就可以解释天王星和海王星上不寻常的磁场。

我们知道地球的核主要由铁构成，但是许多实验仍然在研究较轻元素的存在如何改变熔化和相变的条件。这项研究的实验证明了这些元素如何改变金刚石在冰质巨行星上的形成条件。如果想准确地模拟行星，就要尽可能地接近行星内部的实际组成。

这些发现还可能影响我们对遥远星系中行星的理解，因为科学家现在认为，冰质巨行星是太阳系之外最常见的行星形式。

未经打磨的钻石

这项新的研究为钻石雨在其他星球上的形成提供了一个更完整的图景。不仅如此，在地球上，这还可能会带来一种制造纳米金刚石的新方法。

目前制造纳米金刚石的方式是取一堆碳或金刚石，然后用炸药将其炸毁。这会产生大小和形状各异的纳米金刚石，而且很难控制。研究则指出了一条通过激光驱动冲击压缩廉价的 PET 塑料，来生产纳米金刚石的潜在途径。

这个实验中看到的是同一物种在高温高压下的不同反应性。在某些情况下，金刚石的形成似乎比其他情况更快，这说明，其他一些化学物质的存在可以加速这一过程。

激光可以提供一种更清洁、更容易控制的方法来生产纳米金刚石。如果未来科学家能设计出改变反应性的一些方法，就能改变它们形成的速度，从而改变它们变得多大。

接下来，研究人员正计划使用含有乙醇、水和氨的液体样本进行类似的实验，这将使他们更加接近了解钻石雨在其他行星上的确切形成过程。