Physik im Bauch der Eisriesen Wie aus Flaschenplastik Nanodiamanten werden

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Kunststoffe wie PET haben einen eher schlechten Ruf als Wegwerfprodukt. Dabei lassen sich so viel mehr Dinge aus ihnen machen als nur Plastikflaschen. Diamanten zum Beispiel: Indem Forscher die Bedingungen im Inneren von Eisplaneten wie Uranus und Neptun simulieren, erzeugen sie aus einer PET-Folie Nanodiamanten. Diese könnten in verschiedensten technischen Anwendungen genutzt werden.

Dresden, Rostock, Palaiseau,/Frankreich – Die Verhältnisse im Inneren von Eisplaneten wie Neptun und Uranus sind extrem: Es herrschen Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius, der Druck ist millionenfach größer als in der Erdatmosphäre. Dennoch lassen sich solche Zustände im Labor kurzzeitig simulieren: Starke Laserblitze treffen auf eine folienartige Materialprobe, erhitzen sie für einen Wimpernschlag auf bis zu 6.000 °C und erzeugen eine Schockwelle, die die Materie für einige Nanosekunden auf das Millionenfache des Atmosphärendrucks komprimiert. „Bislang haben wir solche Versuche mit Folien aus Kohlenwasserstoffen gemacht“, sagt Dominik Kraus, Physiker am Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) sowie Professor an der Universität Rostock. „Dabei konnten wir feststellen, dass sich unter dem Extremdruck winzige Diamanten bilden, so genannte Nanodiamanten.“

Allerdings ließ sich mit diesen Folien das Planeteninnere bisher nur ansatzweise simulieren. Denn Eisplaneten enthalten nicht nur Kohlenstoff und Wasserstoff, sondern auch Unmengen Sauerstoff. Bei der Suche nach einem geeigneten Folienmaterial fiel die Wahl auf einen Allerweltsstoff: PET – jenem Kunststoff, aus dem simple Plastikflaschen bestehen.

Die Versuche führte das Team am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien durch. Dort steht mit der Linac Coherent Light Source (LCLS) ein starker, beschleunigerbasierter Röntgenlaser. Mit ihm lässt sich analysieren, was beim Auftreffen von intensiven Laserblitzen auf eine PET-Folie passiert. Dabei setzten die Fachleute zwei Messverfahren gleichzeitig ein: Per Röntgenbeugung prüften sie, ob sich Nanodiamanten bildeten. Und mit der so genannten Kleinwinkelstreuung konnten sie beobachten, wie schnell und auf welche Größe die Diamanten wuchsen.

Hochdruck-Experimente im Terapascal-Bereich

Materialforschung wie im Inneren des Uranus

Diamantenregen im Innern von Eisplaneten

Das Ergebnis: „Durch seinen Einfluss hat der Sauerstoff die Trennung von Kohlenstoff und Wasserstoff beschleunigt und damit die Entstehung der Nanodiamanten gefördert“, berichtet Kraus. „Dadurch konnten die Kohlenstoffatome besser zusammenfinden und Diamanten bilden.“ Das erhärtet die Vermutung, dass es im Inneren von Eisriesen buchstäblich Diamanten regnet. Die Resultate dürften nicht nur für Uranus und Neptun relevant sein, sondern auch für unzählige weitere Planeten in unserer Galaxis. Denn hielt man früher solche Eisriesen für rare Exoten, scheint mittlerweile klar, dass es sich um die häufigste Planetenform außerhalb des Sonnensystems handeln dürfte.

Außerdem stieß das Team auf einen weiteren Hinweis: Gemeinsam mit den Diamanten sollte auch Wasser entstehen – allerdings in einer ungewöhnlichen Variante: „Es sollte sich so genanntes superionisches Wasser gebildet haben“, vermutet Kraus. „Dabei formen die Sauerstoffatome ein Kristallgitter, in dem sich Wasserstoffkerne frei bewegen.“ Da die Kerne elektrisch geladen sind, kann superionisches Wasser elektrische Ströme leiten und so zur Bildung des Magnetfelds der Eisriesen beitragen. Allerdings konnte die Arbeitsgruppe bei ihren Experimenten die Existenz von superionischem Wasser in der Mischung mit Diamanten noch nicht zweifelsfrei belegen. Das soll künftig in enger Zusammenarbeit mit der Universität Rostock am European XFEL in Hamburg geschehen, dem stärksten Röntgenlaser der Welt.

Für Schleifmittel, Quantensensoren und mehr

Neben diesen grundlegenden Erkenntnissen eröffnet das neue Experiment auch Perspektiven für eine technische Anwendung – die gezielte Herstellung von nanometerkleinen Diamanten. Bereits heute werden solche Nanodiamanten in Schleif- und Poliermitteln verwendet. Künftig sollen sie als hochempfindliche Quantensensoren, medizinische Kontrastmittel sowie effiziente Reaktionsbeschleuniger etwa zur Spaltung von CO₂ dienen. „Bisher werden solche Diamanten hauptsächlich per Sprengstoff-Detonation hergestellt“, erläutert Kraus. „Mithilfe von Laserblitzen könnten sie sich künftig deutlich sauberer fertigen lassen.“

Die Vision: Ein Hochleistungslaser feuert zehnmal pro Sekunde Lichtblitze auf eine PET-Folie, die im Zehntel-Sekunden-Takt durch den Strahl gerastert wird. Die bei der Reaktion entstehenden Nanodiamanten fliegen wie Geschosse aus der Folie heraus und landen in einem Auffangbecken gefüllt mit Wasser. Dort werden sie abgebremst und können anschließend gefiltert und regelrecht geerntet werden. Der wesentliche Vorteil des Verfahrens gegenüber der Produktion per Sprengstoff: „Damit ließen sich Nanodiamanten gezielt maßschneidern, etwa was ihre Größe oder auch eine Dotierung mit Fremdatomen betrifft“, betont Kraus. „Denn mit dem Röntgenlaser besitzen wir ein Labor-Werkzeug, mit dem sich das Größenwachstum der Diamanten genau kontrollieren lässt.“

Originalpublikation: Z. He, M. Rödel, J. Lütgert, A. Bergermann, M. Bethkenhagen, D. Chekrygina, T.E. Cowan, A. Descamps, M. French, E. Galtier, A.E. Gleason, G.D. Glenn, S.H. Glenzer, Y. Inubushi, N.J. Hartley, J.-A. Hernandez, B. Heuser, O.S. Humphries, N. Kamimura, K. Katagiri, D. Khaghani, H.J. Lee, E.E. McBride, K. Miyanishi, B. Nagler, B. Ofori-Okai, N. Ozaki, S. Pandolfi, C. Qu, D. Ranjan, R. Redmer, C. Schoenwaelder, A.K. Schuster, M.G. Stevenson, K. Sueda, T. Togashi, T. Vinci, K. Voigt, J. Vorberger, M. Yabashi, T. Yabuuchi, L.M.V. Zinta, A. Ravasio, D. Kraus: Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples recorded by small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction, in Science Advances, 2 Sep 2022, Vol 8, Issue; DOI: 10.1126/sciadv.abo0617

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