在我們太陽系中，像海王星和天王星這樣寒冷黑暗的世界也被稱為冰質巨行星。這類行星的內部條件非常極端，溫度可能達到數千攝氏度，壓強是地球大氣壓強的數百萬倍。在這樣的極端內部，究竟發生了什么？

有意思的是，為了找到這個問題的答案，一組科學家向著一層PET（聚對苯二甲酸乙二酯）塑料薄膜發射了激光，研究在它其中究竟發生了什么。

這項實驗再次證實了早先研究的結果，這些冰質巨行星內部確實下了 " 鉆石雨 "，也就是一種長期以來被認為是冰質巨行星上的一種奇特的 " 降水 " 類型。他們還發現，這種現象甚至可能比先前認為的更加普遍。

同時，借助研究的結論，科學家還有望建立一種穩定制造納米金剛石的新方法。這種材料在藥物輸送、醫療傳感器、無創手術、可持續制造和量子電子學方面有著相當廣泛的應用。論文已發表在《科學進展》上。

從塑料開始

在先前更早的一項實驗中，研究人員模擬了在冰質巨行星海王星和天王星內部深處發現的極端溫度和壓強，并首次觀察到了鉆石雨的形成。

科學家研究了一種由氫和碳的混合物制成的塑料材料。氫和碳是海王星和天王星整體化學成分的關鍵組成部分，那是他們第一次直接觀察到混合物中形成金剛石（鉆石）。從那時起，已經有相當多針對各種純凈材料的實驗。

但是在真實的行星內部，情況要復雜得多，更多的化學物質混合會在一起，比如還有大量的氧。

因此，研究人員還想弄清楚的是，這些額外的化學物質會有什么樣的影響。

冰封的行星

在近期的實驗中，研究人員引入了 PET 塑料，更準確地再現這些行星的組成。PET 并不罕見，經常用于食品包裝、塑料瓶和塑料容器。研究人員介紹，這種材料在碳、氫和氧之間有一種很好的平衡，可以更好地模擬冰質行星中的活動。

他們使用了直線加速器相干光源（LCLS）的極端條件下的物質（MEC）裝置上的一種高功率的光學激光，在 PET 中制造沖擊波。然后，他們用來自 LCLS 的 X 射線脈沖探測了塑料中發生的情況。

借助一種被稱為 X 射線衍射的方法，研究人員觀察到了這種材料的原子重新排列成小型金剛石的區域。他們同時使用了另一種叫作小角散射的新方法，測量這些區域增長的速度和大小。使用這種額外的方法，他們能夠確定這些金剛石區域增長到了數納米寬。

他們發現，在材料中存在氧的情況下，納米金剛石能夠在更低的壓強和溫度下生長。氧的作用是加速碳和氫的分裂，從而促進納米金剛石的形成。這意味著，碳原子可以更容易地結合并形成金剛石。

利用塑料瓶制造納米金剛石。（圖／Blaurock, HZDR）

研究人員預測，海王星和天王星上的金剛石將變得比這些實驗中產生的納米金剛石大得多，甚至有可能重量達數百萬克拉。成千上萬年來，這些金剛石可能會慢慢沉入行星的冰層中，并在固態的行星核周圍聚集成一層厚厚的閃閃發光的層。

團隊還發現，與金剛石結合在一起，也有可能形成超離子水。這種最近發現的水的相，通常被描述為 " 熱黑冰 "，它們存在于極高的溫度和壓強下。在這些極端條件下，水分子分裂，氧原子形成一個晶格，其中氫原子核自由漂浮。由于這些自由漂浮的核是帶電的，超離子水能夠導電，這就可以解釋天王星和海王星上不尋常的磁場。

我們知道地球的核主要由鐵構成，但是許多實驗仍然在研究較輕元素的存在如何改變熔化和相變的條件。這項研究的實驗證明了這些元素如何改變金剛石在冰質巨行星上的形成條件。如果想準確地模擬行星，就要盡可能地接近行星內部的實際組成。

這些發現還可能影響我們對遙遠星系中行星的理解，因為科學家現在認為，冰質巨行星是太陽系之外最常見的行星形式。

未經打磨的鉆石

這項新的研究為鉆石雨在其他星球上的形成提供了一個更完整的圖景。不僅如此，在地球上，這還可能會帶來一種制造納米金剛石的新方法。

目前制造納米金剛石的方式是取一堆碳或金剛石，然后用炸藥將其炸毀。這會產生大小和形狀各異的納米金剛石，而且很難控制。研究則指出了一條通過激光驅動沖擊壓縮廉價的 PET 塑料，來生產納米金剛石的潛在途徑。

這個實驗中看到的是同一物種在高溫高壓下的不同反應性。在某些情況下，金剛石的形成似乎比其他情況更快，這說明，其他一些化學物質的存在可以加速這一過程。

激光可以提供一種更清潔、更容易控制的方法來生產納米金剛石。如果未來科學家能設計出改變反應性的一些方法，就能改變它們形成的速度，從而改變它們變得多大。

接下來，研究人員正計劃使用含有乙醇、水和氨的液體樣本進行類似的實驗，這將使他們更加接近了解鉆石雨在其他行星上的確切形成過程。