实验预测行星“钻石雨”普遍存在，或实现从塑料快速提取纳米金刚石 - 科技导报

像天王星和海王星这样的冰巨星内部的极端条件会导致特殊的化学和结构的转变，例如，钻石和超离子水的沉淀，到目前为止，实验只分别观察到纯C-H和H2O体系。德国赫姆霍兹研究所Dominik Kraus教授课题组通过冲击压缩聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料进行原位X射线探测研究了C和H2O的化学计量混合物。

他们在72 7和125 13 GPa的压力下，温度范围为~3500至~6000 K观察到钻石的形成。结合X射线衍射和小角度X射线散射，他们观察到的C和H2O的离解现象，冰行星内部的钻石沉淀被氧气促进了，这可能导致孤立的水，从而形成与行星磁场相关的超离子结构。此外，结果表明，通过简单的激光驱动冲击压缩廉价的PET塑料来生产纳米钻石的方法。

2022年9月，Dominik Kraus教授课题组相关研究成果在Science Advances上发表，标题为“Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples recorded by small-angle x-ray scattering and x-ray diffraction”。

该成果的研究现状？研发意义？有怎样的应用前景？《科技导报》新媒体就此专访了论文的第一作者兼通讯作者，德国HZDR研究中心/上海激光等离子体研究所贺芝宇。

您可否简要介绍下这一科研成果？

贺芝宇：海王星和天王星等冰巨行星在我们的银河系中非常丰富。这些天体内部主要由水，甲烷和氨的致密流体混合物组成。由于这些行星内部深处高压、高温，元素混合物很可能会发生化学反应和结构相变，如碳氢化合物离解后形成钻石。

考虑冰巨星中大量水和氧气的存在，研究碳氢氧混合物相对于纯碳氢系统来说更为实际（图1），并极有可能在离解反应中产生金属氢或超离子水，对冰巨星内部独特磁场的研究有重要意义。

图1 碳、氢、氧混合物的相图

该成果突破了哪些核心难题？

贺芝宇：该项研究创新性地结合XRD与SAXS两种不同尺度的原位X射线诊断技术，以前所未有的数据质量记录了纳米金刚石在纳秒级冲击压缩下的微晶生长过程；结果表明氧原子对行星内部C-H相分离的促进作用，并且含氧混合物在比纯碳氢系统更低的压力区间发现了金刚石的离解相变反应，预测了“钻石雨”可能远比想象的更普遍地存在于行星中。

在诊断技术上，结合多种宏、微观诊断技术的实现，证明了多诊断平台联合使用在纳秒时间尺度上精确描述极端条件下发生相变的强大潜力。

在工业应用上，有望开辟一种只需单次激光冲击的低成本纳米金刚石制备方法，结合高重频激光器与合理的样品回收手段，允许从塑料中快速提取纳米金刚石，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等领域具有重要的科学应用前景。

团队展开这一研究的初衷是什么？

贺芝宇：极端高温高压条件下含碳低Z混合物中碳原子发生离解后形成纳米金刚石的特殊相变反应，在惯性约束聚变、行星科学、工业制造等领域都具有重要的应用。尤其是行星科学中，天王星和海王星这类富含C、H、O、N元素的冰巨星内部，金刚石从低Z混合物中离解并向地核沉淀，形成“钻石雨”现象，与剩余混合物中具有导电性的超离子态水，共同对冰巨星内部独特磁场的形成起到关键作用，是目前行星科学领域的前沿热点问题。

因此，这项研究地初衷是为了探索行星内部极端高压环境下混合物的相变反应机理。利用激光加载创造与行星内部相似的高压高温环境，研究低Z混合物的金刚石离解、超离子态混合物的形成等，从而为行星内部磁场模型研究提供实验依据。

海王星和天王星等冰巨行星内部深处的高压和高温对材料混合物产生什么影响？

贺芝宇：高温、高压等极端条件会通常会加速或促进材料中相变反应的发生，产生一些常温常压下无法观察到的现象，诸如冰巨星中的金刚石离解现象以及超离子水、超离子氨的形成等。

请您介绍下纳米钻石的特质和主要应用场景，它与普通钻石存在哪些区别？

贺芝宇：纳米金刚石的晶粒尺寸是纳米量级的，普通金刚石的晶粒尺寸约几十到几百微米。纳米金刚石对药物输送、医疗传感器、无创手术、可持续制造和量子电子学方面有着广泛的应用。

目前，利用塑料形成纳米钻石的研究现状如何？您的研究的创新性是什么，国际上其它团队还在这方面做了哪些尝试？

贺芝宇：碳氢化合物反应和金刚石沉淀对海王星和天王星等冰巨星内部结构和演化的影响已经讨论了30多年。在这些天体内部，如甲烷等简单碳氢化合物在大气中含量非常丰富，并会发生离解反应，从行星深层释放氢气，导致致密的分层岩芯。多年来，通过激光加热金刚石压砧和气枪冲击等实验方法，已尝试在实验室中开展相关研究，但缺乏冲击实验的实时测量手段。

2016年以来，Kraus团队开展了动高压下的相关实验研究，利用激光加载与原位诊断技术结合，验证了相关相变反应在纳秒时间尺度就会发生。本项工作也由Kraus团队开展，并在前期研究基础上，创新性地联合两种动态原位X射线诊断方法，以前所未有的数据质量记录了纳米金刚石的微晶生长过程。

目前国际上对相关工作地主要研究团队有德国Kraus团队、美国LCLS实验团队等。

此次研究为什么选择使用PET塑料？

贺芝宇：PET塑料是一种C与H2O组合的聚合物，在碳、氢和氧之间有很好的平衡，与海王星和天王星等冰巨星的化学组成十分相似，可以用来模拟冰巨星的内部活动。此外，这种塑料具有成本低、易于获取等优势。

实验过程中团队采用的X射线技术和XRD、SAXS探测器发挥了什么样的作用？这些技术对观察行星内部深处的成分有什么样的帮助？

贺芝宇：X射线衍射(XRD)能够确定Å尺度下晶体结构，而小角X射线散射(SAXS)对纳米量级的特征尺寸非常敏感，结合SAXS+XRD两种诊断手段对动高压材料内部微观物理规律的探索具有重要潜力。

在静高压材料科学研究中，SAXS已成热门，成果颇丰，而动高压研究中这项技术尚在起步阶段，实现多尺度原位X射线探测是动高压科学的新革命，它们可以提供纳秒时间尺度的“实时”观测，对于超短时间相变反应、微晶结构变化的测量意义重大。

与其它生产纳米钻石的技术相比，通过激光驱动冲击压缩PET塑料这一方法的优势和劣势分别是什么？

贺芝宇：目前的激光器飞速发展，比如用小型、高重频激光器可以每秒向样品发射10次激光，这样如PET这样的材料每十分之一秒就能被激光冲击加载，由此产生的纳米钻石可以被特殊的方法回收，比如落在装满水的收集槽中。它们在槽中被减速、过滤和有效获取。

与炸药等冲击加载方式相比，这种方法更为清洁，此外，这种纳米钻石可以根据尺寸定制切割，甚至掺杂其他原子，而X射线监测可以用来精确控制钻石的生长。

此次的研发成果是否还有值得优化之处？

贺芝宇：还有值得优化的地方。未来还可以使用含有乙醇、水和氨的液体样品进行类似的实验，它们是天王星和海王星的主要成分，这将使研究者们更接近行星内部的状态，从而更好地理解行星模型系统。

学者介绍：贺芝宇，德国HZDR研究中心/上海激光等离子体研究所，研究方向是动高压科学。