现代炼金术-斯坦福大学发现快速、简单的钻石制造方法——“欺骗热力学”

时间:2020-03-05 18:53 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

现代炼金术-斯坦福大学发现快速、简单的钻石制造方法——“欺骗热力学”

只要有适当的压力和极少的热量,化石燃料中发现的一种物质就能转变成纯钻石。

这听起来像是炼金术:取一团白色的灰尘,把它挤进一个镶满钻石的压力室,然后用激光轰击它。打开密室,发现里面有一块新的纯钻石。

斯坦福大学(Stanford University)和斯坦福大学国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的一项新研究揭示了,通过对热量和压力的仔细调整,这种配方可以从原油和天然气中发现的一种氢和碳分子生产钻石。

这篇论文最令人兴奋的地方在于,它揭示了一种欺骗金刚石形成所需的典型物质热力学的方法。这篇论文发表在2020年2月21日的《科学进展》杂志上,论文作者之一、斯坦福大学地质学家罗德尼·尤因说。

现代炼金术-斯坦福大学发现快速、简单的钻石制造方法——“欺骗热力学”

60多年来,科学家们一直利用其他材料合成钻石,但这种转化通常需要大量的能量、时间或催化剂的加入。通常是金属;这往往会降低最终产品的质量。我们希望看到的只是一个纯净的体系,在这个体系中,一种物质可以转变成纯净的钻石。没有一个催化剂,”;该研究的主要作者、斯坦福大学地球能源学院的博士后研究员苏尔基耶·帕克说。环境科学(斯坦福地球)。

理解这种转变的机制对于珠宝以外的应用将是重要的。金刚石的物理性能硬度极高,透光率高,化学稳定性好,热导率高;使其成为医学、工业、量子计算技术和生物传感的有价值的材料。

如果你能制造出哪怕是少量的这种纯钻石,那么你就能以可控的方式将其用于特定的用途。斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的研究员、斯坦福大学国家加速器实验室的资深作者于林说。

天然配方

天然钻石是由地球表面数百英里以下的碳结晶而成,那里的温度高达数千华氏度。到目前为止,大多数天然钻石都是在数百万年前的火山喷发中被发掘出来的,它们携带着来自地球深处的古代矿物飞速上升。

这篇论文最令人兴奋的地方在于,它揭示了一种欺骗金刚石形成所需的典型物质热力学的方法。本;罗德尼·尤因

因此,钻石可以洞察行星内部存在的条件和物质。钻石是从地球最深处带回样品的容器。斯坦福矿物物理学家Wendy Mao说,她是帕克进行大部分实验的实验室的负责人。

为了合成钻石,研究小组首先从装满石油的罐中提炼出三种粉末。只有很少的一部分。毛说。我们用针挑出一点放在显微镜下做实验。

乍一看,这种无味、微粘的粉末有点像岩盐。但是,经过训练的眼睛通过一个强大的显微镜可以区分原子排列在相同的空间模式,就像组成钻石晶体的原子。这就好像把复杂的钻石晶格切割成由一个、两个或三个笼子组成的更小的单元。

与纯碳的钻石不同,这种粉末不含碳。被称为类金刚石也含有氢。从这些积木开始,毛说:“你可以更快速、更容易地制造钻石,你也可以更全面、更深入地了解钻石的制造过程,而不是简单地模仿地球上自然形成钻石的地方的高压和高温。”

菱形的压力下

研究人员将这些钻石样本放入一个名为“钻石砧细胞”的李子大小的压力室中,这个压力室在两个抛光的钻石之间挤压粉末。只需用手转动一个螺丝,这个装置就能产生你在地球中心能找到的那种压力。

接下来,他们用激光加热样本,用一系列测试检查结果,并运行计算机模型来帮助解释转变是如何展开的。我们试图回答的一个基本问题是:保持架的结构或数量是否会影响类金刚石转变成金刚石的方式。林说。他们发现,这种名为triamantane的三笼状菱形结构可以在极低能量的情况下自我重组成钻石。

这种转变在极短的时间内展开。这也是直接的:原子在形成钻石的过程中不经过另一种形式的碳,如石墨。

Mao说,钻石砧细胞中微小的样本大小使得这种方法不适合合成比斯坦福团队在实验室中制造的钻石斑点更多的钻石。但现在我们对制造纯钻石的关键有了更多的了解。

参考文献:以低金刚石为原料合成易加工的金刚石;作者:Sulgiye Park, Iwnetim I. Abate, Jin Liu, Chenxu Wang, Jeremy E. P. Dahl, Robert M. K. Carlson, Liuxiang Yang, Vitali B. Prakapenka, Eran Greenberg, Thomas P. Devereaux, Chunjing Jia, Rodney C. Ewing, Wendy L. Mao和Yu Lin, 2020年2月21日,科学进展。

DOI: 10.1126 / sciadv.aay9405

Wendy Mao是地质科学和光子科学的教授。罗德尼·尤因(Rodney Ewing)是弗兰克·斯坦顿(Frank Stanton)核安全教授,弗里曼·斯普利国际问题研究所(Freeman Spogli Institute for International Studies)和Precourt能源研究所(Precourt Institute for Energy)高级研究员。

斯坦福大学的合著者包括Iwnetim Abate, Jin Liu, Chenxu Wang, Jeremy Dahl, Robert Carlson, Thomas Devereaux和Chunjing Jia。Abate和Devereaux隶属于SLAC国家加速器实验室和材料科学与工程系的SIMES。刘院士隶属于中国北京的斯坦福大学地质科学系和高压科学与技术高级研究中心。王隶属于地质科学系。达尔、卡尔森和贾都隶属于希梅斯。

其他合著者隶属于中国北京高压科学技术高级研究中心和芝加哥大学高级放射源中心。

这项研究是由美国能源部资助的。

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