OcéanosOcéanosde Diamantede Diamante

en Urano y Neptunoen Urano y Neptuno

OcéanosOcéanosde Diamantede Diamante

en Urano y Neptunoen Urano y Neptuno

IntroducciónIntroducciónIntroducciónIntroducción

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:

• Carbono cristalino

• Carbono amorfo

GrafitoDiamante

FullerenosNanotubosCarbinosNanoespuma

Carbones

Hollín

Hibridación sp2

Hibridación sp3

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:

IntroducciónIntroducciónIntroducciónIntroducción

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?

URANUS

IntroducciónIntroducciónIntroducciónIntroducción

NEPTUNE

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.

Dispositivo ExperimentalDispositivo ExperimentalDispositivo ExperimentalDispositivo 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.

Dispositivo ExperimentalDispositivo ExperimentalDispositivo ExperimentalDispositivo Experimental

TRANSICIÓN DE FASE

T ≈ 9000 K P ≈ 1100 GPa

¡¡¡EN URANO Y NEPTUNO HAY DIAMANTE LÍQUIDO!!!

Dispositivo ExperimentalDispositivo ExperimentalDispositivo ExperimentalDispositivo Experimental

MELTING TEMPERATURE OF DIAMOND AT ULTRAHIGH TEMPERATURE (SHOCK WAVES)

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!

Dispositivo ExperimentalDispositivo ExperimentalDispositivo ExperimentalDispositivo Experimental

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%

SimulacionesSimulacionesSimulacionesSimulaciones

SimulacionesSimulacionesSimulacionesSimulaciones

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

SimulacionesSimulacionesSimulacionesSimulaciones

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.

• 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)

SimulacionesSimulacionesSimulacionesSimulaciones

2. Metano líquido a presiones y temperaturas extremas

ConclusiónConclusiónConclusiónConclusión

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!!!!