首次在室温条件下,制造出自然界中最坚硬的物质

作者: Dougal McCulloch & Jodie Bradby

来源: The Conversation

发布日期: 2020-11-18

国际团队首次在室温条件下,通过施加高压成功制造出金刚石和蓝丝黛尔石,这一发现为制造更坚硬材料提供了新途径,并可能帮助了解金刚石在地球及其他地方的形成过程。

碳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”。但“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℃。

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。

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。

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,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。

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。

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