这听起来像是炼金术:将一团白色的灰尘,挤在镶满钻石的压力室中,然后用激光对其进行喷砂处理。打开腔室,在里面找到新的纯金刚石显微斑点。

斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的一项新研究表明,通过仔细调节热量和压力,该配方可以如何从原油和天然气中发现的一种氢和碳分子中生产出钻石。

该论文的合著者斯坦福大学的地质学家Rodney Ewing说:“这篇论文令人兴奋的是,它展示了一种欺骗通常形成钻石所需的热力学的方法。”该论文的合著者于2月21日发表在《科学进展》杂志上。

科学家用其他材料合成钻石已有60多年的历史了,但这种转变通常需要消耗大量的能量,时间或添加催化剂(通常是金属),这往往会降低最终产品的质量。这项研究的主要作者,斯坦福大学地球,能源与环境科学学院(Stanford)博士后研究员苏尔吉耶·帕克(Sulgiye Park)说:“我们希望看到一个干净的系统,其中一种物质可以在没有催化剂的情况下转化为纯净的钻石。”地球)。

理解这种转变的机制对于珠宝以外的应用将很重要。钻石的物理特性-极高的硬度,光学透明性,化学稳定性,高导热率 -使其成为医学,工业,量子计算技术和生物传感的有价值的材料。

SLAC斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的资深研究人员Yu Lin说:“如果您可以制造出少量这种纯净的钻石,那么您就可以以受控的方式对它进行掺杂,以用于特定的应用。”国家加速器实验室。

天然配方

天然钻石是从地球表面数百英里处的碳中结晶而成的,那里的温度达到了华氏数千度。迄今为止,出土的大多数天然钻石都是在数百万年前的火山喷发中迅速上升的,它们携带着地球深处内部的古老矿物。

结果,钻石可以洞悉行星内部存在的条件和材料。斯坦福大学矿物物理学家温迪·毛(Wendy Mao)说:“钻石是从地球最深处带回样本的容器。”帕克负责该实验室大部分研究的实验室。

在挤压类金刚石样品并用激光对其进行喷砂处理之后,研究人员使用了第二个较冷的激光束来帮助表征所得的金刚石。图片来源:Andrew Brodhead

为了合成钻石,研究团队从三种装满石油的油轮中提炼出了三种粉末。毛说。“我们用针头捡起一点,将其放在显微镜下进行实验。”

乍一看,无味,略带粘性的粉末类似于岩盐。但是,训练有素的眼睛通过功能强大的显微镜凝视,可以区分排列成与构成钻石晶体的原子相同的空间模式的原子。好像钻石的复杂格子被切成由一个,两个或三个笼子组成的较小单元。

与纯净碳的钻石不同,粉末(称为类金刚石)也含有氢。毛说:“从这些基础材料开始,您可以更快,更轻松地制造钻石,而且比仅仅模仿钻石中的高压和高温,您还可以以更完整,更周到的方式了解钻石的加工过程。钻石自然形成的地球的一部分。”

压力下的类金刚石

研究人员将类金刚石样品装入一个称为钻石砧室的李子大小的压力室中,该室将粉末压在两颗抛光的金刚石之间。只需简单地用手拧一下螺丝,设备就可以产生您可能在地球中心发现的那种压力。

接下来,他们用激光加热样品,用一系列测试检查结果,并运行计算机模型以帮助解释转化的进行情况。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钻石转变成钻石的方式。” 他们发现被称为金刚烷的三笼形类金刚石可以以很少的能量重组成金刚石。

在900开氏温度(大约1160华氏度,即炽热的熔岩的温度)和20吉帕斯卡的压力(比地球大气大数十万倍)时,金刚烷烷的碳原子迅速对齐,氢原子散布或掉落。

转换以最短的几分之一秒展开。这也很直接:原子在制造钻石的过程中不会通过另一种形式的碳,例如石墨。

毛说,钻石砧室中的微小样本量使这种方法不实用,无法进行比斯坦福大学研究小组生产的钻石斑点更多的合成。“但是现在我们对制造纯钻石的关键有所了解。

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