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为了帮你求婚,科学家找到制造钻石的新方法,几分钟就够了!

2020-11-21 11:36 前瞻网   

 

为了帮你求婚,科学家找到制造钻石的新方法,几分钟就够了!

钻石,一种使用金刚石琢磨而成的饰品,本质上只是在地球内部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体。在商家的炒作下,现在已经被赋予了爱情和忠贞的涵义。

为了保持价格高位,矿商往往会对钻石产量进行限制。不过,现在的人造钻石市场也已经相当成熟,其效果足以比肩天然钻石。不过,目前的人造钻石往往依赖高温高压,制备难度较大。

近日,一个国际小组成功在室温环境下,仅用了几分钟就制造出了人造钻石。

该成果已发表在化学期刊Small上。

构成钻石的碳原子可以多种方式结合在一起,形成不同的材料,如软黑石墨和硬透明的金刚石。在普通的金刚石中,原子排列成立方晶体结构。然而,也可以重新排列这些碳原子,使其具有六方晶体结构。

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左:立方晶体结构 右:六方晶体结构 (图源:Dougal McCulloch, Jodie Bradby)

这种六方体晶格的的钻石被称为朗斯代尔钻石,以爱尔兰晶体学家和皇家学会研究员凯瑟琳·朗斯代尔的名字命名,她首先用x光研究了碳的结构。

据预测,六方晶体结构的钻石比普通钻石硬58%,这意味着朗斯代尔钻石可能将是是地球上最坚硬的材料。这一材料首次发现于亚利桑那州的一个陨石坑之中,此后科学家成功在实验室中合成了少量这种物质。

目前制造钻石的方法有二。一是高温高压合成法,向石墨施加高温高压,促使其从低压稳定相转变为高压稳定相(金刚石),。制造所需的温度一般为3000℃以上,压力为10GPa,大约为标准大气压的10万倍。

除了高温高压,制造人造钻石可以通过化学气相沉积手段,在高温等离子的作用下,含碳气体被离解,碳原子在基底(用作“种子”的小块钻石)上沉积成钻石膜。

这种方法虽然对压力的要求较小(一般小于一个大气压即可),但对温度要求很高,一般需要保持在1000摄氏度左右,而且生长速度缓慢,效率很低。

通过对“地外钻石”(在陨石撞击中形成)的研究,科学家猜测除了高温和高压之外,滑动力(也称为“剪切力”)也可能是钻石的成因之一。

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剪切力示意图 (图源:Dougal McCulloch, Jodie Bradby )

于是,研究团队对石墨施加了剪切力和高压,最后在几分钟内就成功制造出了朗斯代尔钻石。

但是,这项实验还是没有脱离高压的束缚。实验中观察到的最低压力为80Gpa,大约相当于正常大气压的80万倍,约等于640头成年大象施加在鞋尖面积大小上的力。

研究人员表示,压力将是下一步研究的重点。如果能够解决高压,人造钻石的产量将进一步提高,钻石的价格也将进一步下降。

更为重要的是,制造出比现有金刚石硬度更高的材料,对于一些工业作业,例如切削、磨削、钻探等来说,或许将带来极大的变革。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 3976DBC

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