在高壓和附加電壓下制成的鉆石

　　鉆石和石墨，都是特殊形式的純碳。立方晶體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的化學(xué)鍵賦予了鉆石超高的硬度。幾千年來(lái)，鉆石既是一種切割工具，也是一種出眾的裝飾品。直到20世紀(jì)50年代，科學(xué)家才首次成功制造出人造鉆石。

　　大多數(shù)天然鉆石形成于約150公里深的地幔中，地幔溫度超過(guò)1500攝氏度，壓強(qiáng)高達(dá)幾億帕。關(guān)于天然鉆石的確切形成機(jī)制，科學(xué)家們提出了不同理論。他們認(rèn)為，形成天然鉆石的初始材料是富含碳酸鹽的熔體，即富含氧和碳的鎂、鈣或硅化合物。

　　考慮到地幔獨(dú)特的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程以及熔體的超高電導(dǎo)率，研究人員決定在實(shí)驗(yàn)室中分析電場(chǎng)對(duì)鉆石形成過(guò)程的影響。

　　《科學(xué)進(jìn)展》雜志當(dāng)?shù)貢r(shí)間1月21日?qǐng)?bào)道，俄羅斯科學(xué)院研究人員Yuri Palyanov等人開發(fā)了一個(gè)鉆石制造模型。在模型中，高度局部電場(chǎng)發(fā)揮了核心作用。根據(jù)他們的設(shè)想，只要輸入一伏特左右的電壓，就能提供觸發(fā)化學(xué)轉(zhuǎn)變過(guò)程所需的電子。這些電子能使碳酸鹽中的某些碳氧化合物經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)變成二氧化碳，并最終形成鉆石形式的純碳。

　　為驗(yàn)證該模型，研究人員開發(fā)了一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：加熱系統(tǒng)包裹的毫米級(jí)鉑膠囊，被放置在一個(gè)能產(chǎn)生7.5吉帕高壓的加壓設(shè)備中。膠囊中還引入了微型電極。研究人員在1300~1600攝氏度的高溫下完成了一系列實(shí)驗(yàn)。

相對(duì)低的壓強(qiáng)和附加電壓下形成的石墨

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正如預(yù)期的那樣，在幾個(gè)小時(shí)的反應(yīng)中，負(fù)極附近形成了微小的鉆石顆粒，直徑最大可達(dá)200微米。值得注意的是，只有在低電壓（0.5伏特）條件下，才會(huì)形成鉆石；在較低壓力下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物是石墨，這也與預(yù)期相符。

　　研究人員通過(guò)調(diào)換電壓極性，進(jìn)一步驗(yàn)證了假設(shè)——金剛石開始在另一個(gè)電極上生長(zhǎng)。如果膠囊外部沒有額外供電，則既不會(huì)形成鉆石，也不會(huì)生成石墨。在鉆石顆粒附近，研究人員還發(fā)現(xiàn)了其他地幔礦物。

　　研究人員Michael Wiedenbeck說(shuō)：“項(xiàng)目中使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備令人印象深刻?！彼c工程師Frederic Couffignal分析了Yuri等人制造的鉆石。為了確定Yuri提出的鉆石形成理論是否完全正確，他們必須非常精確地描述鉆石的同位素組成。

　　因此，Wiedenbeck使用了二次離子質(zhì)譜（SIMS）。SIMS是一種高度專業(yè)化的質(zhì)譜儀，能夠?yàn)榈厍蚩茖W(xué)家提供微小樣本的高精度數(shù)據(jù)。

　　Wiedenbeck說(shuō)：“借助SIMS，我們可以非常精確地確定亞毫米樣品中的小范圍組成。最終，我們證實(shí)碳同位素13C和12C的比例，與Yuri等人開發(fā)的模型完全一致。然而，必須指出的是，這種新方法不適合大規(guī)模生產(chǎn)大型人造鉆石”。

　　Yuri補(bǔ)充道：“電場(chǎng)是影響鉆石結(jié)晶化的重要附加因素。該結(jié)論可能對(duì)理解全球碳循環(huán)中的碳同位素比率變化非常重要。”

期刊來(lái)源：《科學(xué)進(jìn)展》

期刊編號(hào)：2375-2548

原文鏈接：https://phys.org/news/2021-01-small-electric-fields-decisive-role.html

編譯：雷鑫宇