首次在室温条件下,制造出自然界中最坚硬的物质

原理 2020-11-22 20:30




原子能够以多种方式结合在一起,形成截然不同的材料,比如柔软的黑色石墨、极薄的石墨烯,还有坚硬而透明的金刚石。这也是为什么许多人调侃,钻石也不过是块“碳”。


从某种程度上来说,“钻石恒久远,一颗永流传”这句广告语也不无道理。金刚石被认为是地球上最坚硬的自然形成的物质之一。在自然中,它们形成于地球深处,通常需要长达数十亿年时间的“历练”。这一过程还需要极高的压力和极高的温度,一般超过1000℃。

 金刚石与蓝丝黛尔石的原子结构示意图。| 图片来源:The Conversation


事实上,不止一种碳基材料具有类似金刚石的结构。普通金刚石中的碳原子会排列成立方体的晶体结构;然而,也有碳原子排列成六方晶体的情况,这种不同形式的金刚石被称为蓝丝黛尔石(Lonsdaleite)它是以利用X射线来研究碳结构的爱尔兰晶体学家凯瑟琳·朗斯代尔(Kathleen Lonsdale)命名的。作为一名生活在20世纪上半叶的女性科学家,朗斯代尔创造了许多“第一次”——她是UCL第一位女性终身教授,国际晶体学学会第一位女性主席,不列颠科学促进会的第一位女性主席……


 凯瑟琳·朗斯代尔。| 图片来源:Smithsonian Institution / Wikimedia Commons


蓝丝黛尔石很曾在亚利桑那州迪亚布洛峡谷的陨石坑被发现。一些科学家对这种物质很感兴趣,因为据预测,它的坚硬程度应该比“最坚硬”的普通金刚石还要高58%。



事实上,金刚石在许多领域都是一种极具吸引力的材料,它有超高的硬度、良好的导热性等许多优点,应用十分广泛。正因如此,人们也一直在寻求人工合成金刚石的稳定途径。


早在1954年,金刚石已经在实验室中被合成了出来。美国物理化学家特雷西·霍尔(Tracy Hall)在实验室中模拟了地壳之下的自然条件,并加入金属催化剂来加速生长过程,最终成功地制造出了金刚石。这种高压、高温的金刚石与自然界中发现的金刚石相似,但它们的体积往往比较小,不够完美。直到今天,人们仍在使用高温高压的方法,主要是在一些工业应用中。


另一种制造金刚石的主要方法是通过一种化学气体工艺,这需要利用一颗小型的金刚石作为“种子”,“长出”更大的金刚石。这种方法同样需要800℃左右的温度。虽然这种金刚石生长相当缓慢,但它们可以长得很大,相对来说也少有缺陷。


蓝丝黛尔石的人工合成也曾被实现。研究人员在实验室中利用高压压力装置或爆炸物,通过加热和压缩石墨,成功合成出微量的蓝丝黛尔石。


但问题是,所有这些制造方法似乎都离不开高温条件。然而近日,一组国际团队第一次在未经加热的条件下,在实验室中成功地制造出金刚石。在室温条件下,他们只用了几分钟时间就制造出了金刚石和蓝丝黛尔石。研究结果已于近日发表于Small



一些研究人员已经注意到,自然界提供了形成金刚石的其他方式的线索。比如,在陨石猛烈撞击地球的过程中,以及在太阳系高速运行的小行星碰撞过程中也可能形成金刚石,我们称之为“地外金刚石”。


在研究地外金刚石形成的过程中,有证据表明,除了高温和高压之外,剪力(或者说滑动力对触发形成可能也起到了重要作用。


 剪力示意图。| 图片来源:Wikimedia Commons


受到剪力的物体会在顶部被往一个方向推动,在底部则朝着相反方向推动。举个例子,如果我们把一摞牌的顶部往左推,底部往右推,就会使这一摞牌滑动,牌就会散开。这也是为什么剪力也被称为“滑动”力。


在新研究设计的实验中,一小块类似石墨结构的碳承受了极端的剪力和高压。与之前的大多数工作不同,在压缩的过程中,研究人员没有对碳样品进行任何额外加热。利用先进的电子显微技术(一种用于捕捉非常高分辨率图像的技术),他们发现,压缩后的样品既含有普通金刚石,也含有蓝丝黛尔石。


新研究用实验证明了,仅仅通过施加高压,金刚石和蓝丝黛尔石都可以在室温下形成


 样品的电镜照片。| 图片来源:The Conversation


在这种前所未见的排列中,一条狭长的金刚石“河流”(比一根头发还要细约200倍)被蓝丝黛尔石的“海洋”包围。这种排列结构非常像在其他材料中观察到的“剪切带”,剪切带中狭窄区域会经历强烈的局部应变。这表明,在室温下剪力是这些金刚石形成的关键



在室温下,用几分钟就能制造出金刚石,这提供了许多可能性,特别是对于那些需要极其坚硬材料的行业来说,能够利用这种方法来制造“比金刚石还硬”的蓝丝黛尔石,绝对是一个令人兴奋的消息。


研究人员表示,接下来面临的挑战就是降低形成金刚石所需的压力。这项研究观察到的室温下金刚石形成所需的最低压力是80吉帕斯卡——这相当于在一只芭蕾舞鞋的鞋尖上放640头非洲象!


他们相信,如果金刚石和蓝丝黛尔石都能在较低的压力下被制造出来,那我们就能更快地制造出更多更廉价的金刚石。同时,这也能帮助进一步了解金刚石是如何在地球、陨石撞击过程甚至宇宙中其他地方形成的。



撰文:Dougal McCulloch(皇家墨尔本理工大学教授)

Jodie Bradby(澳大利亚国立大学物理学教授)


原文标题为“We created diamonds in mere minutes, without heat — by mimicking the force of an asteroid collision”,于2020年11月18日首发于The Conversation,原文链接:https://theconversation.com/we-created-diamonds-in-mere-minutes-without-heat-by-mimicking-the-force-of-an-asteroid-collision-150369,文章基于CC协议翻译,中文内容有编辑,仅供参考,一切内容以原文为准。

封面来源:The Conversation