為了幫你求婚,科學家找到製造鑽石的新方法,幾分鐘就夠了!

2020-12-07 騰訊網

鑽石，一種使用金剛石琢磨而成的飾品，本質上只是在地球內部高壓、高溫條件下形成的一種由碳元素組成的單質晶體。在商家的炒作下，現在已經被賦予了愛情和忠貞的涵義。

為了保持價格高位，礦商往往會對鑽石產量進行限制。不過，現在的人造鑽石市場也已經相當成熟，其效果足以比肩天然鑽石。不過，目前的人造鑽石往往依賴高溫高壓，製備難度較大。

近日，一個國際小組成功在室溫環境下，僅用了幾分鐘就製造出了人造鑽石。

該成果已發表在化學期刊Small上。

構成鑽石的碳原子可以多種方式結合在一起，形成不同的材料，如軟黑石墨和硬透明的金剛石。在普通的金剛石中，原子排列成立方晶體結構。然而，也可以重新排列這些碳原子，使其具有六方晶體結構。

左：立方晶體結構 右：六方晶體結構 (圖源：Dougal McCulloch, Jodie Bradby)

這種六方體晶格的的鑽石被稱為朗斯代爾鑽石，以愛爾蘭晶體學家和皇家學會研究員凱薩琳·朗斯代爾的名字命名，她首先用x光研究了碳的結構。

據預測，六方晶體結構的鑽石比普通鑽石硬58%，這意味著朗斯代爾鑽石可能將是是地球上最堅硬的材料。這一材料首次發現於亞利桑那州的一個隕石坑之中，此後科學家成功在實驗室中合成了少量這種物質。

目前製造鑽石的方法有二。一是高溫高壓合成法，向石墨施加高溫高壓，促使其從低壓穩定相轉變為高壓穩定相(金剛石)，。製造所需的溫度一般為3000℃以上，壓力為10GPa，大約為標準大氣壓的10萬倍。

除了高溫高壓，製造人造鑽石可以通過化學氣相沉積手段，在高溫等離子的作用下，含碳氣體被離解，碳原子在基底(用作「種子」的小塊鑽石)上沉積成鑽石膜。

這種方法雖然對壓力的要求較小(一般小於一個大氣壓即可)，但對溫度要求很高，一般需要保持在1000攝氏度左右，而且生長速度緩慢，效率很低。

通過對「地外鑽石」(在隕石撞擊中形成)的研究，科學家猜測除了高溫和高壓之外，滑動力(也稱為「剪切力」)也可能是鑽石的成因之一。

剪切力示意圖 (圖源：Dougal McCulloch, Jodie Bradby )

於是，研究團隊對石墨施加了剪切力和高壓，最後在幾分鐘內就成功製造出了朗斯代爾鑽石。

但是，這項實驗還是沒有脫離高壓的束縛。實驗中觀察到的最低壓力為80Gpa，大約相當於正常大氣壓的80萬倍，約等於640頭成年大象施加在鞋尖面積大小上的力。

研究人員表示，壓力將是下一步研究的重點。如果能夠解決高壓，人造鑽石的產量將進一步提高，鑽石的價格也將進一步下降。

更為重要的是，製造出比現有金剛石硬度更高的材料，對於一些工業作業，例如切削、磨削、鑽探等來說，或許將帶來極大的變革。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-ever-scientists-create-diamonds-in-the-lab-without-heat

https://edition.cnn.com/2020/11/19/world/diamonds-room-temperature-scli-intl-scn/index.html

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