在上个月底发表于ScienceAdvances上的一项研究中，科学家在化学燃料中发现一种物质，在适当的压力下，只需要很少的热量，就能转变为纯金刚石。
现代炼金术
这事儿听起来就像炼金术那么神奇：将一团白色粉末，喷入镶满金刚石的压力室，然后用激光照射。打开压力室，发现里面出现了新的纯金刚石微小斑点。
这项研究表明，通过仔细调节温度和压力，上面的配方就可以将从原油和天然气中发现的一种碳氢分子变为金刚石。而且，这项研究令人兴奋之处在于，它“骗过”了形成金刚石通常所需的热力学方法。
上图：论文作者之一YuLin展示一种具有一、二、三个笼状结构的类金刚石模型，这种模型在极端高温和高压下，可以转变为该图右侧的那种复杂的纯碳金刚石晶格。图/AndrewBrodhead
科学家用其他材料合成金刚石已经有60多年的历史了，但是传统方法通常需要消耗大量能量和催化剂（一般是金属），耗时也很久，所以，这种系统就不太“清洁”，而这也会降低最终产品的质量。那么，有没有一个“清洁”的系统，并且该系统中的物质可以在没有催化剂的情况下，转变为纯净的钻石呢？
科学家已经找到了答案。
“即便你只能制出很少量的这种纯金刚石，也能在其中掺入别的物质，以实现特定方面的应用。”斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室材料与能源科学研究所科学家YuLin说道。
天然配方
天然金刚石是在地底数百公里处的碳中结晶而成的，那儿的温度高达数千摄氏度。迄今为止，大多数天然金刚石都是在数百万年前的火山喷发中升到地表的，同时还携带了地底深处的古老矿物质。可以说，金刚石是带回地底深处样本的容器。因此，金刚石是了解地球内部存在的条件和物质的窗口。
在这项最新的研究中，为了合成金刚石，科学家使用了从石油中提取的三种粉末。这些粉末没有味道，乍一看像是岩盐。不过，利用显微镜观察，训练有素的研究者可以辨认出它们的原子排列成与金刚石单晶相同的分布模式：它们看上去，好像把复杂的金刚石晶格切成了由一、二、三个笼状结构的小单元。
当然，与纯碳金刚石不同的是，这些粉末（也被称为类金刚石）也含有氢。研究人员表示，利用这些材料，可以更快、更容易地制出金刚石，而且，相较于仅仅模仿自然界中形成金刚石的高压和高温，这项研究能够让人更完整地了解金刚石的形成过程。
高压之下的类金刚石
研究人员将类金刚石样品装入一个梅子大小的、叫做“金刚石压腔”的压力室，这个腔室会把粉末压在两颗抛光的金刚石之间。只需用手拧一下螺丝，该设备就能产生地心深处的那种极高压力。
接下来，他们用激光加热样品，用一系列的测试来查验结果，然后运行计算机模型来解释样品转变的过程。科学家试图回答一个基本问题，即笼状结构或其数量，是否会影响类金刚石转变成金刚石。
他们发现，被称为金刚烷（triamantane）的三笼形类金刚石，只需很少的能量就能转变为金刚石。在K的温度（约为华氏度、℃，即炽热熔岩的温度），和20GPa的压力下（大气压的数十万倍），金刚烷的碳原子会迅速对齐，而其中的氢原子则会散开或脱落。在起初的一瞬间，类金刚石向金刚石的转换其实就已经开始了。而且，这些原子并不会转换为其他形式的碳，比如石墨。所以，转换为金刚石是一个直接的过程。
当然，金刚石压腔只能合成很微量的金刚石，所以实用性并不强。但是通过这项研究，科学家们对制造纯精钢石的关键之处有了更多、更深入的了解。
此外，这种新的合成机制如果走向成熟，所影响的绝不仅仅是珠宝行业。金刚石的物理性质（极高的硬度、光透明性、化学稳定性、高导热性），使其成为医疗、工业、量子计算技术、生物传感等领域十分重要的材料。
这篇论文于年2月21日发表于ScienceAdvances上，论文作者来自斯坦福大学、北京高压科学研究中心、芝加哥大学等科研机构。
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