Revolucionarno: Naučnici pretvaraju plastiku u dijamante

Na više od milijardu kilometara udaljenosti od Zemlje, na ledenim divovima Neptunu i Uranu, dijamanti traju zauvek. Ovo nije kosmička poezija, već razumno naučno zaključivanje: Znamo da se pod ekstremno velikim pritiskom i visokim temperaturama, kilometrima ispod površina planeta, ugljovodonici spajaju u kristale. Međutim, na udaljenim Neptunu i Uranu, univerzumski proces stvaranja dijamanata je malo zanimljiviji. Od sedamdesetih godina dvadesetog veka, u naučnim krugovima postoji uverenje da je sasvim moguće da dijamanti padaju ka tečno-stenovitim jezgrima planeta i taj fenomen se nezvanično naziva dijamantska kiša. 

2017. godine, naučnici u Nemačkoj i Kaliforniji, pronašli su način da rekreiraju uslove koji vladaju na tim planetama, proizvodeći malene dijamante nazvane nanodijamanti u laboratoriji, koristići polistiren (iliti stiropol). Prema studiji objavljenoj u časopisu Science Advances, pet godina kasnije, eksperiment je ponovljen, ovog puta uz korišćenje starog dobrog polietilen tereftalata (PET). Ovo istraživanje ima uticaj ne samo na naše razumevanje svemira, već otvara vrata ka stvaranju nanodijamanata od plastičnog otpada, koji imaju širok spektar namena. 

Imajući to u vidu, zašto, za ime Boga, ne pravimo dijamante od iste plastike od koje pravimo posude za hranu i flaše za vodu? Postoji dobar razlog za to, kaže u mejlu Dominik Kraus, glavni autor studije, naučnik iz nemačke istraživačke laboratorije Helmholc-Centrum Drezden-Rozendorf.

Kada su Kraus i njegove kolege prvi put pokušali da naprave nanodijamante od polistirena, koji sadrži iste činioce vodonika i ugljenika koji se nalaze na Neptunu i Uranu, oni su to uradili koristeći linearni akcelerator čestica sa koherentnim svetlosnim izvorom, rendgenskim laserom visoke snage, u SLAC Nacionalnoj laboratoriji za akceleraciju u Kaliforniji. Ovim procesom bi se polistiren naglo zagrejao na 5000 Kelvina (što je oko 8540 stepni Farenhajta) i kompresovao pod pritiskom 150 gigapaskala, što je slično uslovima pronađenim na dubini od oko 9600 kilometara u unutrašnjosti ledenih planeta.

Iako su naučnici uspeli da naprave mikroskopski dijamant koristeći dva brza udara laserom, kasnije su shvatili da mu nedostaje jedan esencijalni hemijski element - kiseonik. Zbog toga su se okrenuli korišćenju PET plastike, koja ima dobar balans ne samo ugljenika i vodonika, već i kiseonika, što bolje imitira hemijske uslove sa ledenih džinova, u poređenju sa polistirenom. 

“Hemija u ovakvim uslovima je veoma kompleksna i pravljenje adekvatnog modela je ekstremno teško - može se desiti bilo šta - tipična je fraza koju teoretičari koriste u diskusijama”, rekao je Kraus. “I zaista, postojala su neka predviđanja koja danas pokazuju da prisustvo kiseonika pomaže [ugljeniku da se odvoji od vodonika] formiranju dijamanata, ali takođe i pretpostavka da bi moglo biti obrnuto.

Kako bi potvrdili teoriju, Kraus i njegove kolege su uzeli komadić PET plastike, izložili ga istim eksperimentalnim uslovima iz 2017, ali takođe dodali nešto što zovemo difrakcija rendgenskim zrakom pod malim uglom, kako bi videli koliko brzo se formira dijamant i koliko veliki može da se oformi. 

“Otkrili smo da prisustvo kiseonika pojačava formiranje dijamanta, umesto da ga sprečava, čineći dimajantsku kišu unutar tih planeta najverovatnijim scenarion”, kaže Kraus, dodajući da “Takođe, kako vreme prolazi u eksperimentu, vidimo da se pod većim pritiskom formiraju veći dijamanti”.

Uspeli su da, udarom samo jednog rendgenskog zraka dobiju mnogo malih dijamanata, reda veličine nekoliko milijardi kristalita (iliti nekoliko mikrograma, ako govorimo o ukupnoj težini). Ali Kraus kaže da to nije dovoljno, barem ne za sada, da bi se koristili kao dijamantni kvantni senzori, koji detektuju magnetni tok, ili hemijski katalizatori, kojima su potrebni dijamanti od najmanje nekoliko miligrama da bi funkcionisali. Međutim, vremenom ćemo verovatno moći da unapredimo ovu metodu, kako bismo dobili dijamante koji mogu da služe u pomenute svrhe, što će biti prvi korak u ozbiljnijoj reciklaži plastike.

“Ako industrijsko merenje procesa formiranja zaista funkcioniše kako je gore navedeno, nanodijamanti će biti potrebni u veoma velikim količinama za određene procese (npr. za katalizu svetlosno-indukujuće reakcije redukcije ugljen-dioksida, koja pomaže smanjenju globalnog zagrevanja) - ovo bi zaista moglo da postane potencijalni način za reciklažu velike količine PET plastike”, rekao je Kraus.

Iako je slatko praviti svetlucave mikro-džidža-bidže, važno je ne izgubiti iz vida nameru nauke - da bolje razumemo kako ekstremni uslovi sredine na našim ledenim susednim planetama dovode bukvalno do dijamantskih pljuskova. S tim u vidu, Kraus i njegov tim veruju da su pronašli više dokaza za postojanje nesvakidašnjeg tipa vode, koji je do tog trenutka postojao samo u teoriji, ali je definitivno otkriven 2019. godine.

Nazvana superjonska voda, koja se ponaša kao čudna kombinacija čvrstog i tečnog agregatnog stanja, kako prenosi Njujork Tajms 2018. godine, veruje se da ispunjava omotače Neptuna, Urana i potencijalno bezbroj drugih planeta i ledenih džinova. Ona možda nema nikakvu primenu za nas na Zemlji, ali njeno prisustvo može objasniti zašto neka nebeska tela imaju jedinstvena magnetna polja. Kraus je rekao da otkriće da se nanodijamanti zaista formiraju unutar ledenih džinova čini verovatnijom mogućnost da će se pojaviti uslovi za nastanak superjonske vode.

“U našim eksperimentima, još uvek nismo videli direktne dokaze da se superjonska voda formira zajedno sa dijamantima”, rekao je Kraus, “Ali naši eksperimenti pokazuju da se ugljenik odvaja od vodonika i kiseonika, omogućavajući da se unutar planeta formiraju oblasti čiste vode. Dakle, uzimajući u obzir dijamantsku precipitaciju (taloženje) kao više moguć scenario unutar tih planeta, takođe i formiranje superjonske vode postaje više verovatno.”

Ako izuzmemo superjonsku vodu, Kraus i njegove kolege moraju da obave još istraživanja na polju nanodijamanata. Oni traže načine da se naprave veće količine ovih malenih dragulja za nekoliko minuta uz korišćenje pristupačnijeg, ali i dalje visokoenergetskog, laserskog sistema. Možda će čak pokušati da ubace neki element poput azota, kako bi videli kako će on uticati na oblik nanodijamanata. (prisustvo azota u dijamantima je veoma česta pojava - oko 98% prirodnih dijamanata sadrže desetine, pa čak i stotine delova sa po milion atoma azota)

Ako iko, čitajući ovo, razmišlja da izigrava Čistu hemiju, ali sa dijamantima i plastičnim flašama, možda bi samo trebalo da ostavi komplikovanu fiziku naučnicima.