陨石撞击形成金刚石机制

作者: 雷切尔·伯科威茨

来源: 环球科学

发布日期: 2018-03-05

科学家通过模拟陨石撞击,实时观测石墨转变成金刚石的过程,发现转变主要发生在压缩阶段,且所需的撞击强度可能比之前认为的要小。

陨石撞击地球时,石墨是如何转变成稀有的金刚石的。当携带石墨的陨石撞上地球时,撞击产生的高温高压能把石墨转变成稀有且极端坚硬的金刚石。长久以来,科学界一直对这种转变在原子层面是如何发生的存有争议。现在,科学家通过模拟并实时观测撞击的瞬间,解开了其中的一些谜题。

在美国阿贡国家实验室修建的首个此类撞击实验室中,华盛顿州立大学物理学家约根德拉·古普塔和同事以5.1千米/秒的速度将填充了氟化锂的子弹射向一个石墨圆盘,通过这种方式来模拟陨石撞击,并且使用超亮X射线以每秒1500亿帧的频率“拍摄”该过程。提到陨石撞击形成金刚石时,人们总是会问,转变是在哪个阶段发生的,是仅在压缩阶段,还是在压缩和撞击后应力释放这两个阶段都有。

古普塔说,我们的实验非常清楚地表明,这一转变发生在压缩阶段。具体来说,在50万倍大气压下,石墨在几十亿分之一秒内就会形成这种稀有的六方金刚石。新发现表明,形成金刚石所需的撞击强度或许并没有科学家之前认为的那么大。古普塔称,早前的研究表明,六方金刚石需要在近200万倍大气压下才能形成,不过这一数字存在很大争议。

还有一些研究表明,在较低压力下石墨的结构就会开始变化,不过这些实验中的X射线测试表明,较低压力下形成的金刚石是多种不同结构的混合物,因此,一直来以,没人确切知道转变过程何时开始。早前的研究大多是在压力逐渐升高的条件下研究原子转变的。与之相反,古普塔和同事的实验表明,突然的撞击可以直接形成六方金刚石,且形成的金刚石的内部结构完全由撞击方向决定。该研究已发表在《科学进展》杂志上。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家洛林·贝内迪克特认为,该研究最令人兴奋之处在于,研究者确定了一种晶型转变成另一种时,发生撞击的原子的准确位置。用这种方法得到的金刚石在压力下降后仍能保持其结构,不过古普塔想知道,当压力完全消失后,金刚石是否仍会保持稳定。这样的实验或许能产生制备工业用金刚石的全新方法。

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