首次在室溫條件下,製造出自然界中最堅硬的物質
2020年11月23日10:48

  來源:原理

  碳原子能夠以多種方式結合在一起,形成截然不同的材料,比如柔軟的黑色石墨、極薄的石墨烯,還有堅硬而透明的金剛石。這也是為什麼許多人調侃,鑽石也不過是塊“碳”。

  但從某種程度上來說,“鑽石恒久遠,一顆永流傳”這句廣告語也不無道理。金剛石被認為是地球上最堅硬的自然形成的物質之一。在自然中,它們形成於地球深處,通常需要長達數十億年時間的“曆練”。這一過程還需要極高的壓力和極高的溫度,一般超過1000℃。

金剛石與藍絲黛爾石的原子結構示意圖。| 圖片來源:The Conversation
金剛石與藍絲黛爾石的原子結構示意圖。| 圖片來源:The Conversation

  事實上,不止一種碳基材料具有類似金剛石的結構。普通金剛石中的碳原子會排列成立方體的晶體結構;然而,也有碳原子排列成六方晶體的情況,這種不同形式的金剛石被稱為藍絲黛爾石(Lonsdaleite),它是以利用X射線來研究碳結構的愛爾蘭晶體學家凱瑟琳·朗斯代爾(Kathleen Lonsdale)命名的。作為一名生活在20世紀上半葉的女性科學家,朗斯代爾創造了許多“第一次”——她是UCL第一位女性終身教授,國際晶體學學會第一位女性主席,不列顛科學促進會的第一位女性主席……

凱瑟琳·朗斯代爾。| 圖片來源:Smithsonian Institution / Wikimedia Commons
凱瑟琳·朗斯代爾。| 圖片來源:Smithsonian Institution / Wikimedia Commons

  藍絲黛爾石很曾在亞利桑那州迪亞布洛峽穀的隕石坑被發現。一些科學家對這種物質很感興趣,因為據預測,它的堅硬程度應該比“最堅硬”的普通金剛石還要高58%。

  事實上,金剛石在許多領域都是一種極具吸引力的材料,它有超高的硬度、良好的導熱性等許多優點,應用十分廣泛。正因如此,人們也一直在尋求人工合成金剛石的穩定途徑。

  早在1954年,金剛石已經在實驗室中被合成了出來。美國物理化學家特雷西·霍爾(Tracy Hall)在實驗室中模擬了地殼之下的自然條件,並加入金屬催化劑來加速生長過程,最終成功地製造出了金剛石。這種高壓、高溫的金剛石與自然界中發現的金剛石相似,但它們的體積往往比較小,不夠完美。直到今天,人們仍在使用高溫高壓的方法,主要是在一些工業應用中。

  另一種製造金剛石的主要方法是通過一種化學氣體工藝,這需要利用一顆小型的金剛石作為“種子”,“長出”更大的金剛石。這種方法同樣需要800℃左右的溫度。雖然這種金剛石生長相當緩慢,但它們可以長得很大,相對來說也少有缺陷。

  藍絲黛爾石的人工合成也曾被實現。研究人員在實驗室中利用高壓壓力裝置或爆炸物,通過加熱和壓縮石墨,成功合成出微量的藍絲黛爾石。

  但問題是,所有這些製造方法似乎都離不開高溫條件。然而近日,一組國際團隊第一次在未經加熱的條件下,在實驗室中成功地製造出金剛石。在室溫條件下,他們只用了幾分鐘時間就製造出了金剛石和藍絲黛爾石。研究結果已於近日發表於Small。

  一些研究人員已經注意到,自然界提供了形成金剛石的其他方式的線索。比如,在隕石猛烈撞擊地球的過程中,以及在太陽系高速運行的小行星碰撞過程中也可能形成金剛石,我們稱之為“地外金剛石”。

  在研究地外金剛石形成的過程中,有證據表明,除了高溫和高壓之外,剪力(或者說“滑動力”)對觸發形成可能也起到了重要作用。

剪力示意圖。| 圖片來源:Wikimedia Commons
剪力示意圖。| 圖片來源:Wikimedia Commons

  受到剪力的物體會在頂部被往一個方向推動,在底部則朝著相反方向推動。舉個例子,如果我們把一摞牌的頂部往左推,底部往右推,就會使這一摞牌滑動,牌就會散開。這也是為什麼剪力也被稱為“滑動”力。

  在新研究設計的實驗中,一小塊類似石墨結構的碳承受了極端的剪力和高壓。與之前的大多數工作不同,在壓縮的過程中,研究人員沒有對碳樣品進行任何額外加熱。利用先進的電子顯微技術(一種用於捕捉非常高解像度圖像的技術),他們發現,壓縮後的樣品既含有普通金剛石,也含有藍絲黛爾石。

  新研究用實驗證明了,僅僅通過施加高壓,金剛石和藍絲黛爾石都可以在室溫下形成。

樣品的電鏡照片。| 圖片來源:The Conversation
樣品的電鏡照片。| 圖片來源:The Conversation

  在這種前所未見的排列中,一條狹長的金剛石“河流”(比一根頭髮還要細約200倍)被藍絲黛爾石的“海洋”包圍。這種排列結構非常像在其他材料中觀察到的“剪切帶”,剪切帶中狹窄區域會經曆強烈的局部應變。這表明,在室溫下剪力是這些金剛石形成的關鍵。

  在室溫下,用幾分鐘就能製造出金剛石,這提供了許多可能性,特別是對於那些需要極其堅硬材料的行業來說,能夠利用這種方法來製造“比金剛石還硬”的藍絲黛爾石,絕對是一個令人興奮的消息。

  研究人員表示,接下來面臨的挑戰就是降低形成金剛石所需的壓力。這項研究觀察到的室溫下金剛石形成所需的最低壓力是80吉帕斯卡——這相當於在一隻芭蕾舞鞋的鞋尖上放640頭非洲象!

  他們相信,如果金剛石和藍絲黛爾石都能在較低的壓力下被製造出來,那我們就能更快地製造出更多更廉價的金剛石。同時,這也能幫助進一步瞭解金剛石是如何在地球、隕石撞擊過程甚至宇宙中其他地方形成的。

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