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晶碳变钻石：室温下如何制造钻石？

刘晓莉

2020-12-22 11:25:51

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澳国立大学理学院

一颗天然钻石，或许需要数十亿年时间，高压和超高温等等条件才能形成，但是如今，在室温下，人造钻石只需数分钟就可以制作出来。

由澳大利亚国立大学（澳国立）和皇家墨尔本理工大学（rmit university）领导的国际研究小组制作了两种类型的钻石：一种是订婚戒指的钻石，另一种则是罕见的朗斯代尔石（lonsaleite），存在并发现于类似美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑中，硬度比普通钻石高出58%。

团队首席研究员之一，澳国立物理研究院（anu research school of physics）joie braby教授表示，他们本次的研究突破表明，超人能在不使用热射线的情况下，将煤压碎成钻石，可能也有类似的小窍门。

“天然钻石的产生通常除了需要数十亿年的时间，还需要地球深处150公里的巨大压力，以及超过1000摄氏度的极高温度。”braby教授说道。

在此之前，包括澳国立前任博士生，美国卡内基科学研究所（carnegie institution for science）在职博士后tom shiell在内的该研究团队仅能在高温下，实验室中制造出朗斯代尔石。

这项新的出乎意料的发现表明，只要施加高压——相当于640头非洲大象站在芭蕾舞鞋尖上的压力，朗斯代尔石和普通钻石都可以在正常的室温下形成。

braby教授说道：“故事的转折点在于我们如何施加压力。除了非常高的压力外，我们还允许碳原子经历一种叫做‘剪切力’（shear）的东西，这就像一种扭曲力或滑动力。我们认为这可以让碳原子移动到位，并形成朗斯代尔石和普通钻石。”

皇家墨尔本理工大学rmit的共同首席研究员ougal mcculloch（教授）及其团队使用先进的电子显微镜技术从实验样品中拍摄到了清晰完整的横截面切片，进一步展现了这两种钻石是如何形成的。

“我们的图片显示，在这种新方法下，普通钻石仅在朗斯代尔石的中间地带形成。” mcculloch教授说道，“我第一次看到这些由朗斯代尔石和普通钻石形成的‘河流’，真是令人惊叹，并且，这个发现确实能帮助我们理解它们是如何形成的。”

braby教授解释道：“朗斯代尔石有望被用于采矿行业，切割‘超硬’材料。创造更多这种稀有但超级有用的钻石是这项科研工作的长期目标。”

目前，该项研究发现已发表于《small》杂志上，研究团队包括来自澳国立、皇家墨尔本理工大学、悉尼大学（university of syney）和美国橡树岭国家实验室（oak rige national laboratory）的科学家们。

#幕后故事

人造钻石，虽然本身并不是一件新鲜事，但是一直以来，大家都认为必须模拟钻石的自然形成环境——高温高压才能制作钻石。而如今，澳国立的这项研究发现则打破了这一认知，让室温下的钻石制造成为了可能，并且，钻石的形成时间缩短到了只需几分钟，极大地提高了效率。

带着对这项研究的好奇，我们看看澳国立研究团队的中国博士生xingshuo huang，而她也将亲自为我们讲述这一研究的幕后故事。

q：能否为我们简单介绍下这个实验？

简单来说，这项研究是在室温下用高压把晶碳压成钻石的一项研究。在加压的过程中，晶碳的结构会产生变化，打破重组，最终形成钻石。

q：怎么会想到这个新方法？

其实，在科研界，我们都知道，钻石并不恒久远，因为当温度超过1000摄氏度之后，钻石会分解。所以，与其控制温度，慢慢加热，采用传统高温高压的做法，我们就想到了是不是有可能不考虑温度变量，只研究压强对晶碳结构变化的影响。

q：能否为我们介绍下朗斯代尔石？

目前，超硬材料的研究非常火，因为钻石是自然界已知几乎最硬的材料，但是，如果我们想研究钻石的性能，我们就需要比钻石更硬的材料，比如用朗斯代尔石去研究钻石。此外，朗斯代尔石还能应用于矿业、航天和工业等等行业，具有非常高的工业价值。

q：您为什么会对材料物理感兴趣？

我觉得这个专业非常有意思，可以发现很多新的材料，比如两种材料可以合成一种新的材料，或者添加一些变量会发现这种材料新的性能，所以材料这个专业我认为未来有很多创新的可能。其中碳元素，作为自然界最常见的元素，或者是说生命元素，非常复杂，从晶碳到钻石，还存在未解之处，也非常有挑战。

q：您觉得在澳国立的学习或研究经历，给您带来了哪些收获？

我认为在澳国立的学习让我建立了系统的逻辑思维方式，以研究为例，在开展研究之前，我会考虑，问题是什么，如何设立目标，遇到问题怎么反馈，怎么修改实验条件，结果怎么分析，怎么改进实验等等，是一个完整的研究过程。

而且，因为澳国立的师生比例非常合理，所以老师可以关注到每个学生，并且非常细致，会教我具体的学习方法，比如她会带着我一起读论文，怎么思考，怎么从别人的文章中吸取经验，修改我的文章，斟字酌句，帮助我提升英语书面表达。我的老师非常幽默，一直都是以积极的心态思考问题，而我也会潜移默化地受她影响，即使遇到困难也不会消极。

此外，学校会有很多国际交流的机会，比如这个研究项目，我们就与美国橡树岭国家实验室有合作，是一个非常国际化的研究小组，让我能有机会与世界各地优秀的学者交流，并走在科研的前沿。

澳国立理学院

作为享誉全球的一流学府，澳国立的学者与教师致力于用坚实的科学研究成果促进世界未来的科学发展。

我们的学生可以向世界顶尖的学者学习，与澳大利亚的政策制定者交流互动，共同影响，并推动整个堪培拉地区，澳洲甚至是其他地区的发展与进步。

学院课程覆盖各科学领域，包括天文学与天体物理学、生物学、化学、地球与海洋科学、环境与可持续发展、数学、医学与健康科学、物理学、心理学、科技传播等等。其中，物理学与天文学、地球与海洋科学以及数学等学科领域在《2020年qs世界大学学科排名》（qs worl university rankings by subject 2020）中，均位列澳洲第一。