在自然界,鑽石形成於地球深處。需要極高的壓力和超過1000℃的高溫環境。
現在有支國際團隊在幾分鐘內製造了兩種不同類型的鑽石——首次在室溫下製造出鑽石。實驗報告發表在Small雜誌上。
鑽石不止一種
碳原子可以多種方式結合在一起,成為不同材料,包括軟質黑色石墨和硬質透明金剛石。
有類似石墨的鍵形式的碳單質,如石墨烯——有史以來最薄的材料。但還有不止一種的鑽石結構。
在普通金剛石中,原子排列成立方晶體結構。但也可以排成六方晶體結構。
這種不同形式的鑽石被稱為Lonsdaleite,以愛爾蘭晶體學家和英國皇家學會Kathleen Lonsdale的名字命名——最早使用X射線研究了碳結構的科學家。
人們對Lonsdaleite很感興趣,因為據預測它比普通鑽石還要硬58%,而普通鑽石已被認為是地球上最硬的天然材料。
我們曾在亞利桑那州的Canyon Diablo隕石坑遺址中發現了天然的Lonsdaleite。此後,在實驗室中通過高壓壓力機或炸藥,加熱和壓縮石墨可以合成微量的Lonsdaleite。
製作鑽石的方法
鑽石早在1954年就已被人工合成。通用電氣(General Electric)的Tracy Hall使用模仿地殼內自然條件的過程制出了鑽石,並添加了金屬催化劑以加快生長。
結果是人工高壓高溫鑽石與自然鑽石相似,但通常較小且不太完美。目前仍在生產,主要用於工業。
另一種主要方法是通過化學氣體工藝,使用小鑽石作為「種子」來生長更大的鑽石。需要大約800℃的溫度。儘管生長緩慢,但成品更大且相對無缺陷。
大自然為其他形成鑽石的方法提供了線索,在隕石撞擊以及太陽系中高速小行星碰撞等過程中,創造了所謂的「外星鑽石」。
科學家一直試圖弄清外星鑽石的形成方式。有證據表明,除了高溫和高壓外,滑動力(也被稱為「剪切」力)可能起重要作用。
受剪切力影響的對象在頂部朝一個方向推動,在底部朝相反方向推動。我們單手把桌上的一摞紙牌從頂部向右攤開。紙牌整體受到的就是剪切力,所以也可以叫做「滑動」力。
最新設計的實驗,把一小片類似石墨的碳單質經極高的剪切力和壓力,形成金剛石。與以前的流程不同,壓縮過程中沒有加熱。經電子顯微鏡發現,所得樣品中既含有常規鑽石,也含有Lonsdaleite。
在室溫下幾分鐘之內製造鑽石的能力蘊藏了更多的工業潛力。
特別是,對於需要極硬材料的行業而言,用這種方法製造Lonsdaleite是令人振奮的消息。工業上我們用金剛石塗覆鑽頭和刀片以延長工具的使用壽命。
下一個挑戰是降低壓力條件。
在我們的研究中,室溫下鑽石形成的最低壓力為80吉帕斯卡。相當於芭蕾舞鞋尖上站640頭非洲大象!
若成功降低壓力條件,則製造成本將大幅降低。