Produzione di diamanti utilizzando intensi fasci di ioni pesanti presso la struttura FAIR e applicazione alla fisica planetaria

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1459 (2023) Citare questo articolo

620 accessi

Dettagli sulle metriche

Si suppone che i diamanti siano abbondantemente presenti in diversi oggetti dell’Universo, inclusi meteoriti, stelle ricche di carbonio e pianeti extrasolari ricchi di carbonio. Inoltre, è stata verificata sperimentalmente la previsione che negli strati profondi di Urano e Nettuno il metano possa subire un processo di separazione di fase in diamante e idrogeno. In particolare, per studiare questo problema sono stati utilizzati laser ad alta potenza. È quindi importante, dal punto di vista dell’astrofisica e della fisica planetaria, approfondire in laboratorio i processi di produzione del diamante. Nel presente articolo, presentiamo simulazioni numeriche di implosione di un campione di carbonio solido utilizzando un intenso fascio di uranio che deve essere fornito dal sincrotrone a ioni pesanti, SIS100, che è in costruzione presso la Facility for Antiprotons and Ion Research (FAIR), a Darmstadt. Questi calcoli mostrano che utilizzando il nostro schema sperimentale proposto, è possibile generare condizioni estreme di pressione e temperatura, necessarie per produrre diamanti di dimensioni mm3.

I diamanti sono onnipresenti nell’Universo. Piccoli diamanti (nanodiamanti) che contengono fino a 2000 atomi di carbonio sono abbondanti nei meteoriti, mentre alcuni si sono formati nelle stelle ancor prima che esistesse il Sistema Solare1. Si propone inoltre che i diamanti esistano nelle stelle ricche di carbonio, in particolare nelle nane bianche2. Inoltre, si prevede che alcuni pianeti extrasolari ricchi di carbonio possano essere diamanti quasi puri3,4. Poiché accedere direttamente a tali oggetti è ovviamente estremamente impegnativo, studi complementari dei processi che portano alla produzione dei diamanti in laboratorio saranno molto utili per comprendere la formazione e l’evoluzione dei diversi oggetti celesti. Ciò può essere ottenuto sottoponendo il carbonio e i suoi composti alle condizioni fisiche estreme che si verificano negli interni planetari e nelle stelle che trasformano il carbonio in diamante. Un'altra area di ricerca che trarrà beneficio da questi studi è lo studio delle condizioni di formazione di varie strutture di carbonio disordinate prodotte a seguito di grandi impatti asteroidali. Ad esempio, strutture di diamanti chiamate diafiti5,6,7, che sono state scoperte nei siti di impatto, Canyon Diablo e Popigai. A causa delle speciali proprietà elettroniche e meccaniche di queste forme di diamante, potrebbero avere un alto potenziale di significato industriale, il che ne sottolinea l'importanza.

Esperimenti ad alta pressione suggeriscono che grandi quantità di diamanti si formano dal metano sui pianeti giganti ghiacciati, Urano e Nettuno. In un recente esperimento8, in cui un campione di polistirene è stato compresso dinamicamente utilizzando un laser, sono state raggiunte condizioni fisiche estreme che si prevede esistano a circa 10.000 km sotto le superfici di Urano e Nettuno. Questi includono una pressione di 150 GPa e una temperatura di 5000 K. Questo esperimento ha dimostrato la separazione carbonio-idrogeno e la precipitazione del diamante in queste condizioni. In un altro esperimento9 che ha utilizzato un impulso laser di 100 femtosecondi per irradiare un campione di grafite pirolitica altamente orientata, è stata osservata la formazione di cristalli cubici di diamante su scala nanometrica nelle aree irradiate dal laser.

I fasci di particelle intense sono ora considerati un nuovo strumento che può essere utilizzato per generare campioni estesi di materia ad alta densità di energia (HED) con condizioni abbastanza uniformi. È interessante notare che l'equilibrio termodinamico locale viene stabilito nel materiale a causa della lunga durata del campione, rispetto ai target riscaldati dal laser. Un complesso di acceleratori unico, denominato Facility for Antiprotons and Ion Research (FAIR), è in costruzione a Darmstadt. Si tratta di un progetto internazionale che prevede la costruzione di un sincrotrone a ioni pesanti, SIS100, che emetterà intensi fasci di particelle di tutte le specie stabili, dai protoni fino all'uranio. La fisica dell'alta densità di energia (HED) è uno dei campi di ricerca che sarà studiato approfonditamente in questa struttura. È stata creata una collaborazione internazionale denominata HEDP@FAIR10 per supervisionare la costruzione delle strutture sperimentali e successivamente per organizzare la conduzione degli esperimenti. È stata preparata un'interessante proposta scientifica per gli esperimenti di fisica HED che verranno condotti da questa collaborazione. Questa proposta sperimentale è il risultato di ampi studi teorici negli ultimi due decenni, che includono simulazioni numeriche dettagliate e modelli analitici riportati in numerose pubblicazioni, vedere ad esempio11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34. Secondo questi studi, un fascio ionico può essere impiegato per generare materia HED utilizzando due schemi completamente diversi. In un caso, stati di elevata entropia e alta pressione vengono generati nel materiale solido mediante riscaldamento isocoro diretto e uniforme da parte del raggio. La successiva espansione isoentropica del materiale riscaldato consentirà di accedere a importanti stati HED tra cui un liquido caldo espanso, uno stato liquido-gas bifase, parametri critici e plasmi fortemente accoppiati. Tali esperimenti denominati HIHEX (Heavy Ion Heating and Expansion) saranno condotti al FAIR per misurare l'equazione di stato (EOS) e le proprietà di trasporto di queste diverse fasi della materia HED.