Océanos
de Diamante
en Urano y Neptuno
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:
• Carbono cristalino
Diamante
Grafito
Fullerenos
Nanotubos
Carbinos
Nanoespuma
Carbones
• Carbono amorfo
Hollín
Hibridación sp3
Hibridación sp2
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:
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?
URANUS
NEPTUNE
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.
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.
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!!!
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!
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%
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
Picos Significativos
d = 2.81 y 1.74 Å
Picos secundarios
d = 1.47 y 0.75 Å
C-C
H-H
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.
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)
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!!!!
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Océanos de diamante en Urano y Neptuno