斯坦福大学的研究绘制了一个更快、更简单的方法来建造钻石

这听起来像是炼金术:取一团白色的灰尘,把它挤进一个镶满钻石的压力室,然后用激光轰击它。打开密室,发现里面有一块新的纯钻石。

于林展示了拥有一个、两个和三个笼子的类金刚石模型,当受到极端高温和压力时,这些笼子可以转变成复杂的纯碳钻石晶格(如右图中较大的蓝色模型所示)。(图片来源:Andrew Brodhead)

斯坦福大学(Stanford University)和斯坦福大学国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的一项新研究揭示了,通过对热量和压力的仔细调整,这种配方可以从原油和天然气中发现的一种氢和碳分子生产钻石。

“这篇论文令人兴奋的地方在于,它展示了一种欺骗钻石形成通常需要的热力学的方法,”斯坦福大学地质学家罗德尼·尤文(Rodney Ewing)说,他是这篇论文的合著者,论文发表在2月21日的《科学进展》(Science Advances)杂志上。

60多年来,科学家们一直在利用其他材料合成钻石,但这种转化通常需要大量的能量、时间或添加催化剂(通常是金属),而催化剂往往会降低最终产品的质量。该研究的主要作者、斯坦福大学地球能源学院的博士后研究员苏吉耶·帕克说:“我们希望看到的只是一个清洁的系统,在这个系统中,一种物质在没有催化剂的情况下转变成纯钻石。”环境科学(斯坦福地球)。

理解这种转变的机制对于珠宝以外的应用来说非常重要。钻石的物理特性——极高的硬度、光学透明度、化学稳定性、高导热性——使其成为一种有价值的材料,用于医药、工业、量子计算技术和生物传感。

斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的研究员、斯坦福大学国家加速器实验室的研究员于林说:“如果你能制造出少量的这种纯钻石,那么你就能以受控的方式将其用于特定的应用。”

天然配方

天然钻石是由地下数百英里的碳结晶而成,那里的温度高达数千华氏度。到目前为止,大多数天然钻石都是在数百万年前的火山喷发中被发掘出来的,它们携带着来自地球深处的古老矿物。

在挤压了类金刚石样品并使用激光对其进行爆破后,研究人员使用第二束较冷的激光束来帮助鉴定产生的金刚石。(图片来源:Andrew Brodhead)

因此,钻石可以提供洞察地球内部存在的条件和物质。“钻石是用来从地球最深处带回样品的容器,”斯坦福大学矿物物理学家Wendy Mao说,她是帕克进行大部分实验的实验室的负责人。

为了合成钻石,研究小组首先从装满石油的罐中提炼出三种粉末。“数量很少,”毛说。“我们用针挑出一点放在显微镜下做实验。”

乍一看,这种无味、微粘的粉末有点像岩盐。但是,经过训练的眼睛通过一个强大的显微镜可以区分原子排列在相同的空间模式,就像组成钻石晶体的原子。这就好像复杂的钻石晶格被切割成更小的单元,由一个、两个或三个笼子组成。

与纯碳的钻石不同,这种被称为类金刚石的粉末也含有氢。“从这些构建块,”毛说,“你可以让钻石更方便快捷,你还可以了解这个过程更完整,深思熟虑的方式比如果你只是模拟高压和高温的地球钻石自然形式。”

菱形的压力下

研究人员将这些钻石样本放入一个名为“钻石砧细胞”的李子大小的压力室中,这个压力室在两个抛光的钻石之间挤压粉末。只需用手转动一个螺丝,这个装置就能产生你在地球中心能找到的那种压力。

接下来,他们用激光加热样本,用一系列测试检查结果,并运行计算机模型来帮助解释转变是如何展开的。林说:“我们试图回答的一个基本问题是,笼子的结构或数量是否会影响类金刚石转化为金刚石的过程。”他们发现,这种名为triamantane的三笼状菱形结构可以在极低能量的情况下自我重组成钻石。

在900开尔文——大约是1160华氏度,或炽热熔岩的温度——和20亿帕的压力下,比地球大气大数十万倍的压力,triamantane的碳原子突然对齐,它的氢分散或消失。

这种转变在极短的时间内展开。这也是直接的:原子不会通过另一种形式的碳,如石墨,来制造钻石。

Mao说,钻石砧细胞中微小的样本大小使得这种方法不适合合成比斯坦福团队在实验室中制造的钻石斑点更多的钻石。“但现在我们对制造纯钻石的关键有了更多的了解。”

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Wendy Mao是地质科学和光子科学的教授。罗德尼·尤因(Rodney Ewing)是弗兰克·斯坦顿(Frank Stanton)核安全教授,弗里曼·斯普利国际问题研究所(Freeman Spogli Institute for International Studies)和Precourt能源研究所(Precourt Institute for Energy)高级研究员。

斯坦福大学的合著者包括Iwnetim Abate, Jin Liu, Chenxu Wang, Jeremy Dahl, Robert Carlson, Thomas Devereaux和Chunjing Jia。Abate和Devereaux隶属于SLAC国家加速器实验室和材料科学与工程系的SIMES。他隶属于斯坦福大学地质科学系和中国北京高压科学与技术高级研究中心。王隶属于地质科学系。达尔、卡尔森和贾都隶属于希梅斯。

其他合著者隶属于中国北京高压科学技术高级研究中心和芝加哥大学高级放射源中心。

这项研究是由美国能源部资助的。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2020/02/25/better-way-build-diamonds/

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