隕石撞擊雖然會讓生物滅絕,但可以造出鑽石啊 | 研究揭示隕石撞擊形成金剛石機制

2021-02-08 環球科學

撰文 | 雷切爾·伯科威茨（Rachel Berkowitz）

翻譯 | 張哲

當攜帶石墨的隕石撞上地球時，撞擊產生的高溫高壓能把石墨轉變成稀有且極端堅硬的金剛石。長久以來，科學界一直對這種轉變在原子層面是如何發生的存有爭議。現在，科學家通過模擬並實時觀測撞擊的瞬間，解開了其中的一些謎題。

在美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）修建的首個此類撞擊實驗室中，華盛頓州立大學（Washington State University）物理學家約根德拉·古普塔（Yogendra Gupta）和同事以5.1千米/秒的速度將填充了氟化鋰的子彈射向一個石墨圓盤，通過這種方式來模擬隕石撞擊，並且使用超亮X射線以每秒1500億幀的頻率「拍攝」該過程。

「提到隕石撞擊形成金剛石時，人們總是會問，轉變是在哪個階段發生的，是僅在壓縮階段，還是在壓縮和撞擊後應力釋放這兩個階段都有，」古普塔說，「我們的實驗非常清楚地表明，這一轉變發生在壓縮階段」。具體來說，在50萬倍大氣壓下，石墨在幾十億分之一秒內就會形成這種稀有的六方金剛石（hexagonal diamond，因晶體結構而得名）。新發現表明，形成金剛石所需的撞擊強度或許並沒有科學家之前認為的那麼大。

古普塔稱，早前的研究表明，六方金剛石需要在近200萬倍大氣壓下才能形成，不過這一數字「存在很大爭議」。還有一些研究表明，在較低壓力下石墨的結構就會開始變化，不過這些實驗中的X射線測試表明，較低壓力下形成的金剛石是多種不同結構的混合物，因此，一直來以，「沒人確切知道轉變過程何時開始」，古普塔解釋道。早前的研究大多是在壓力逐漸升高的條件下研究原子轉變的。與之相反，古普塔和同事的實驗表明，突然的撞擊可以直接形成六方金剛石，且形成的金剛石的內部結構完全由撞擊方向決定。該研究已發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的物理學家洛林·貝內迪克特（Lorin Benedict，未參與此項研究）認為，「該研究最令人興奮之處在於，研究者確定了一種晶型轉變成另一種時，發生撞擊的原子的準確位置。」

用這種方法得到的金剛石在壓力下降後仍能保持其結構，不過古普塔想知道，當壓力完全消失後，金剛石是否仍會保持穩定。這樣的實驗或許能產生製備工業用金剛石的全新方法。

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