Océanos de Diamante en Urano y Neptuno

1. Océanos de Diamante en Urano y Neptuno

2. Introducción El Diamante (del griego adámas, invencible o inalterable) es un alótropo del Carbono. La configuración electrónica del carbono es : 1s2 2s2p2 Podemos encontrar el carbono en dos fases cristalinas diferentes: Diamante Hibridación sp3 Grafito • Carbono cristalino Fullerenos Nanotubos Hibridación sp2 Carbinos Nanoespuma Carbones • Carbono amorfo Hollín

3. Introducción En el diamante, cada átomo de carbono permanece unido fuertemente a su vecino mediante enlaces covalentes. La diferencia entre las estructuras de formación de diamante y grafito originan sus distintas propiedades físicas:

4. Introducción En los planetas gigantes helados, Urano y Neptuno, encontramos fracciones significativas de Carbono en los mantos de Hielo. Este carbono se encuentra en forma de CH4, en regiones de grandes presiones y temperaturas. Pero… ¿podría disociarse y formar diamantes? NEPTUNE URANUS

5. Dispositivo Experimental • El objetivo de los experimentos con diamantes a altas P y T son fundamentalmente dos: • Obtener el diagrama de fases diamante/grafito sólido/líquido. • Estudiar los mecanismos LLPT (liquid-liquid phase transition) para el grafito y el diamante en estado líquido.

6. Dispositivo Experimental MELTING TEMPERATURE OF DIAMOND AT ULTRAHIGH TEMPERATURE (SHOCK WAVES) J. H. Eggert1*, D. G. Hicks1, P. M. Celliers1, D. K. Bradley1, R. S. McWilliams1,2, R. Jeanloz2, J. E. Miller3,T. R. Boehly3 and G.W. Collins1 UB: velocidad de choque Us: velocidad del pulso medido después de atravesar el blanco Entre 6 y 10 ns (Uscrit.= 24.6 ± 0.4 Km*s-1) , mientras que UB continúa disminuyendo, US (= Intensidad) aumenta ligeramente.

7. Dispositivo Experimental MELTING TEMPERATURE OF DIAMOND AT ULTRAHIGH TEMPERATURE (SHOCK WAVES) TRANSICIÓN DE FASE T ≈ 9000 K P ≈ 1100 GPa ¡¡¡EN URANO Y NEPTUNO HAY DIAMANTE LÍQUIDO!!!

8. Dispositivo Experimental EXPERIMENTO DE BUNDY Si descargamos un capacitador eléctrico (flash heating) sobre una muestra cúbica de diamante y monotorizando la intensidades y voltajes de salida de la muestra, se obtiene el siguiente diagrama de fases: • Pendiente negativa de la recta de coexistencia (Clausius-Clapeyron) • Tm ≈ 3800 – 4000 K • Pm ≈ (6 – 7) GPa Otros experimentos confirman este orden de P y T para la transición de fase sólido-líquido: Ej.- Bradley (experimentos láser de compresión inducida por choques en diamantes): Tm ≈ 1200 – 4000 K Pm ≈ (1000 ± 200) GPa ¡PROBLEMA!

9. Simulaciones 1. Simulaciones sobre la nucleación del diamante Tasa de nucleación (nº de núcleos de cristal que se forma por segundo y por m3) Δ Gcrit (barrera de potencial para la nucleación del cristal) Lo ¡Importante!: • Liquid: R es menor a 10-4 m-3*s-1 (no se habría formado ningún cristal del diamante en un planeta del tamaño de Urano en lo que llevamos de vida del Universo). • Negligible Nucleation/Diamond Nucleation: R es menor a 10-4 m-3*s-1 • [C] en Urano y Neptuno ≈ 1-2%

10. Simulaciones 2. Metano líquido a presiones y temperaturas extremas • Las simulaciones confirman resultados experimentales de laboratorio en los que se demuestra que la formación de diamante viene precedida de la aparición de hidrocarburos como el CH4. C-H C-C H-H Picos Significativos d = 2.81 y 1.74 Å Picos secundarios d = 1.47 y 0.75 Å

11. Simulaciones 2. Metano líquido a presiones y temperaturas extremas • A T = 4000 K (≈ Tm) no hay evidencias de diamantes, ni estado sólido ni en estado líquido. • A T= 6000 K encontramos una fracción importante de H2. Se supone que, por las características de presión y temperatura a estas profundidades, y puesto que la disociación viene acompañada de metalización, este H2 podría tratarse de hidrógeno metalizado, lo cual explicaría el campo magnético considerable de Urano y Neptuno que se produciría mediante efecto dínamo de las corrientes eléctricas del líquido metalizado. • El movimiento de partículas en estos campos magnéticos producidos por hidrógeno metalizado serían una fuente de radioondas. Voyager II ha encontrado una gran variedad de emisiones en radio al orbitar Urano y Neptuno.

12. Simulaciones 2. Metano líquido a presiones y temperaturas extremas • La energía producida al precipitarse los cristales de carbono en el núcleo (por gravedad) produciría una fracción del calor interno de Neptuno que se liberaría al exterior, y eso explicaría porqué radia más de dos veces la energía que recibe del Sol (Lout/Lin = 2.61) • Por otro lado, el H2 se elevaría y se uniría a la atmósfera, lo cual explicaría la abundancia anómala de H2 en la atmósfera de Neptuno (≈ 83 %). • La ausencia de convección en Urano impediría que los cristales se precipitasen (y no existiría ninguna contribución al calor interno del planeta). Por tanto, no radiaría energía al espacio (Lout/Lin = 1.06)

13. Conclusión Si bien el amoniaco presente en los mantos de hielo de Urano y Neptuno podría explicar propiedades importantes de estos planetas (como su campo magnético o la alta/nula energía interna radiada al exterior), debemos concluir que los últimos estudios experimentales apuntan que… ¡¡¡ NO EXISTEN OCÉANOS DE DIAMANTE EN URANO O NEPTUNO!!!!