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我们通过模仿小行星碰撞的力 在几分钟内不加热的情况下创造出钻石

在自然界中,钻石形成于地球深处数十亿年。此过程需要极高的压力和超过1000℃的温度的环境。我们的国际团队在几分钟内就在室温下创造了两种不同类型的钻石。这是第一次在实验室中成功地生产钻石而无需增加热量。

我们的发现发表在Small期刊上。

钻石不止一种

碳原子可以多种方式结合在一起,形成不同的材料,包括软质黑色石墨和硬质透明金刚石。

有许多类似石墨的碳形式,包括石墨烯,这是有史以来最薄的材料。但是您知道吗,还有不止一种类型的碳纤维材料具有类似钻石的粘结作用?

在普通金刚石中,原子排列成立方晶体结构。但是,也可以排列这些碳原子,使其具有六方晶体结构。

这种不同形式的钻石被称为Lonsdaleite,以爱尔兰晶体学家和皇家学会会员的名字命名 Kathleen Lonsdale的,他们使用X射线研究了碳的结构。

人们对隆斯达莱石很感兴趣,因为据预测它比普通钻石硬58%已被认为是地球上最硬的天然材料。

它是在亚利桑那州的暗黑破坏神陨石坑遗址中自然发现的。此后,在实验室中通过使用高压压力机或炸药加热和压缩石墨来合成了微量的这种物质。

我们的研究表明,只需在高压下在实验室环境下,就可以在室温下形成隆斯达莱石和普通金刚石。

在“剪切”力下,物体的一端被推向一个方向,另一端被推向相反的方向。图片来源:Wiki Commons

制作钻石的多种方法

钻石是在实验室合成的早在1954年。然后,通用电气(General Electric)的特雷西·霍尔(Tracy Hall)使用模仿地壳内自然条件的过程创建了,并添加了金属催化剂以加快生长过程。

结果是高压高温钻石与自然界中发现的钻石相似,但通常较小且不太完美。这些仍在生产中,主要用于工业应用。

钻石制造的另一种主要方法是通过化学气体工艺,该工艺使用小钻石作为“种子”来生长更大的钻石。需要大约800℃的温度。尽管生长缓慢,但这些钻石可以长大且相对无缺陷。

大自然提供了其他形成钻石的方法的暗示,包括在陨石对地球的猛烈撞击以及太阳系中高速小行星碰撞等过程中,创造了我们所谓的“外星钻石”。

科学家一直试图确切地了解撞击或外星钻石的形成方式。有一些证据表明,除了高温和高压外,滑动力(也称为“剪切”力)可能在触发其形成中起重要作用。

受剪切力影响的对象在顶部朝一个方向推动,在底部朝相反方向推动。

一个示例是将一副纸牌推到顶部的左侧,并推到底部的右侧。这将迫使卡座滑动并使卡张开。因此,剪切力也称为“滑动”力。

在室温下制作钻石

对于我们的工作,我们设计了一个实验,在该实验中,一小片类似石墨的碳要经受极高的剪切力和高压,以促进金刚石的形成。

与以前在这方面所做的大多数工作不同,压缩过程中没有对碳样品施加额外的加热。使用先进的电子显微镜技术(一种用于捕获非常高分辨率的图像的技术),发现所得样品中既含有规则的钻石,也含有朗斯代尔。

在这种从未见过的安排中,一块薄薄的钻石“河”(比人的头发小200倍)被朗斯代尔的“海”所包围。

该结构的布置让人想起其他材料中观察到的“剪切带”,其中狭窄区域会受到强烈的局部应变。这表明剪切力是在室温下形成这些金刚石的关键。

难对付的坚果

在室温下几分钟之内就能制造钻石的能力开辟了许多制造可能性。

特别是,对于需要极硬材料的行业而言,用这种方法制造“比钻石硬”的朗斯代尔岩是令人振奋的消息。例如,金刚石被用于涂覆钻头和刀片以延长这些工具的使用寿命。

我们面临的下一个挑战是降低形成钻石所需的压力。

在我们的研究中,室温下观察到钻石形成的最低压力为80吉帕斯卡。相当于一双芭蕾舞鞋尖上的640头非洲大象!

如果可以在较低的压力下制造钻石和朗斯代尔,我们可以更快,更便宜地制造更多钻石。

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