制造钻石的新方法|大气压

　　碳是一种特别的元素，因为它的原子之间可以由不同的键连接，形成不同的结构。例如，如果碳原子完全由“sp²”键连接，就可以形成石墨；而如果完全由“sp³”键连接，则会形成金刚石（钻石）。

　　现有模型认为，只有在高温高压（HPHT）下，溶解在液态金属中的碳才能形成金刚石。现在，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一组科学家在1个大气压和1025℃的条件下，成功制造出了金刚石。

　　高温高压

　　金刚石被认为是最坚硬的材料，它具有最高的原子密度和热导率。在地球上，自然金刚石是在900~1400℃的温度下和5~6GPa（1GPa≈9869个大气压）的压强下，于地幔的金属熔体中形成的。

　　1955年，人们首次通过高温高压法制成了合成金刚石。自那之后，高温高压法得到了进一步发展。目前，每年几乎99%的人造金刚石都是通过这个方法合成的。

　　在5~6 GPa的压强和1300~1600°C的温度下，溶解在液态金属中的碳，会形成所谓的种子金刚石晶体。这些种子金刚石晶体经过5~12天，会长成约1立方厘米大的单晶金刚石。事实上，利用这种方法合成的单晶金刚石，大小总是局限在厘米级。因此，许多科学家一直在探索，是否有可能在更低温、更低压的条件下产生人造金刚石。

　　底部的彩虹

　　在新的研究中，研究人员使用由镓（Ga，77.75%）、铁（Fe，11%）、镍（Ni，11%）、硅（Si，0.25%）的液态金属合金来制作金刚石。在实验中，他们使用了一个自制的冷壁真空系统，这个系统可以快速地加热和冷却金属。在压强为1个大气压和温度约为1025°C的条件下，研究人员将这种液态金属暴露在甲烷和氢气中。

　　有一天，研究人员在取出固化的液态金属时，注意到在凝固的Ga-Fe-Ni-Si合金的底部表面出现了“彩虹”。他们发现，这种“彩虹”是由金刚石导致的！

　　在高分辨率透射电子显微镜（TEM）下，他们观测到，在这些金刚石的初始形成过程中，并不需要通常所需的高温高压或其他种子颗粒。一旦形成，这些金刚石颗粒就会并合形成膜。

　　凝固后的液态金属中约有30~40纳米厚的非晶态亚表面区域与金刚石直接接触。在这个无定形区域的表面之上，大约有27%的原子是碳原子，碳浓度会随深度的增加而降低。

　　在富含镓的金属合金中发现如此高浓度的溶解的碳令研究人员感到意外，因为过去的研究表明，碳并不溶于镓。这也许可以解释为什么这个区域是无定形的，而凝固的液态金属的所有其他区域都是晶体结构的。这一区域正是金刚石成核与生长的位置，因此研究人员将目光聚焦在了这片区域。

　　研究人员将Ga-Fe-Ni-Si液态金属短时间暴露在甲烷和氢气中，试图了解它的初期生长阶段，也就是在连续形成金刚石膜之前的阶段。然后，他们深度分析了这个区域的碳浓度。他们观察到：在10分钟后，并没有出现明显的金刚石颗粒，但在金刚石通常生长的区域有约65%的碳原子存在；15分钟后，金刚石颗粒开始出现，碳原子浓度约为27%。

　　研究人员解释道，在10分钟左右，碳原子浓度是非常高的，这是接近或处于过饱和的状态，它使得金刚石在10分钟或10~15分钟之间的某个时间开始成核。成核之后，金刚石颗粒开始迅速生长。

　　研究人员还发现，硅在这种新的金刚石生长中起着至关重要的作用。合金中硅的浓度越高，金刚石的尺寸越小、密度越高。但如果没有硅，金刚石根本无法生长，这表明硅可能参与了金刚石的初始成核。

　　光明前景

　　在这种液态金属中发现金刚石的成核与生长是令研究人员欣喜的，它为进一步的基础科学研究和扩大金刚石的增长开辟了许多新的可能性。

　　研究小组表示，这种新的金刚石的生长方法为液态金属的组成提供了显著的灵活性。虽然这一结果是通过使用镓、镍、铁、硅液体合金实现的，但他们发现通过用钴代替镍或用镓铟混合物代替镓，也能产生高质量的金刚石。

　　研究人员认为，基于这项发现，世界各地的从事相关研究的科学家或将很快能衍生出其他相关的方法和实验设备，进而带来更多有趣的新突破。

　　#创作团队：

　　撰文：小雨

　　排版：雯雯

　　#参考来源：

　　https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=24718&pageIndex=1&searchCnd=&searchWrd=

　　https://www.sciencenews.org/article/diamonds-extreme-atmospheric-pressure