现代炼金术:斯坦福发现快速,简便的方法来制作钻石 - “作弊热力学”

松散的钻石

金刚石的物理特性使其成为医学、工业、量子计算技术和生物传感方面的一种有价值的材料。

在适当的压力和极低的热量下,化石燃料中的一种物质可以转化为纯钻石。

听起来像炼金术:拿一丛白色的灰尘,把它挤在菱形压力室中,然后用激光爆炸它。打开腔室并找到内部新的微观纯钻石。

斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的一项新研究揭示了如何仔细调整热量和压力,该配方可以从原油和天然气中发现的一种氢和碳分子产生钻石。

“这篇论文是什么令人兴奋的是,它展示了一种欺骗钻石形成通常所需的热力学的方法,”斯坦福地质学家罗德尼·罗宁,一个合作社,2020年2月21日出版,在学报科学推进。

菱形模特

高级研究作者于林展示了一个有一个、两个和三个笼子的类金刚石模型,当受到极端的高温和压力时,这些模型可以转化成复杂的纯碳钻石晶格,如图右边的蓝色大模型所示。信贷:安德鲁。他

科学家拥有来自其他材料的钻石超过60年,但转化通常需要过多的能量,时间或添加催化剂 - 通常是金属 - 往往会降低最终产品的质量。“We wanted to see just a clean system, in which a single substance transforms into pure diamond – without a catalyst,” said the study’s lead author, Sulgiye Park, a postdoctoral research fellow at Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).

了解这一转变的机制对于珠宝以外的应用都很重要。金刚石的物理特性——极高的硬度、光学透明度、化学稳定性、高导热性——使其成为医药、工业、量子计算技术和生物传感。

“如果你可以做出少量这个纯钻石,那么你可以以受控的方式涂在特定应用的方法中,”STANFORD材料和能源科学研究院(SIMES)的员工科学家Yu Lin学习高级作者Yu Lin说国家加速器实验室。

自然食谱

天然钻石从地球表面下方数百英里的数百英里结晶,温度达到数千度华氏温度.大多数自然钻石迄今为止,在数百万年前的火山火山喷发上飙升,从地球的深层内部带有古代矿物质。

“这篇论文令人兴奋的是,它显示了一种欺骗钻石形成所需的热力学的方法。”-罗德尼·埃夫明

因此,钻石可以帮助我们了解行星内部的条件和物质。斯坦福大学矿物物理学家温蒂·毛(Wendy Mao)说:“钻石是容器,可以从地球最深处带回样品。”她领导的实验室是帕克进行研究的大部分实验的地方。

为了合成钻石,研究小组从装满石油的油轮中提炼出三种粉末。“这是一个很小的数目,”毛说。“我们用一根针挑出一点,放到显微镜下进行实验。”

乍一看,这种无味、微粘的粉末类似于岩盐。但是,经过训练的眼睛通过高倍显微镜可以分辨出原子排列在与构成钻石晶体的原子相同的空间模式中。这就好像错综复杂的菱形格子被切割成更小的单元,由一个、两个或三个笼子组成。

与纯碳的金刚石不同,粉末称为表情 - 还含有氢。“从这些积木开始,”毛泽民说:“你可以更快,更容易地制作钻石,你也可以以更完整的,周到的方式了解这个过程,而不是你只是模仿了高压和高温钻石自然形成的地球的一部分。“

压力下的菱形曲线

研究人员将类金刚石样品装入一个李子大小的压力室,这个压力室被称为钻石砧室,将粉末压在两个抛光的钻石之间。只需用手转动一个螺丝,这个装置就能产生一种你可能在地球中心发现的压力。

接下来,它们用激光加热样品,用电池检查结果,并耗尽计算机模型,以帮助解释转换如何展开。“我们试图回答的一个基本问题是笼子的结构或数量是否会影响菱形转变为钻石的方式,”林说。他们发现,三笼子的菱形叫做Triamantane,可以与令人惊讶的小能量重新组织钻石。

在900开尔文——大约是1160华氏度,或炽热熔岩的温度——和200亿帕斯卡(比地球大气大数十万倍)的压力下,三金刚烷的碳原子会迅速排列成一条直线,而它的氢原子则会散开或脱落。

这种转变在极短的时间内展开。它也是直接的:在制造钻石的过程中,这些原子不经过另一种形式的碳,比如石墨。

金刚石砧座内部的微小样品大小使得这种方法对于毛泽东省在实验室中生产的斯坦福队队的钻石的斑点比钻石的斑点多得多进行了不切实际的方法。“但现在我们更加了解要制作纯钻石的钥匙。”

Reference: “Facile diamond synthesis from lower diamondoids” by 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 and Yu Lin, 21 February 2020,科学推进
DOI:10.1126 / sciadv.aay9405

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

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国家加速器实验室的SIMES和材料科学与工程系。刘教授隶属于斯坦福大学地质科学系和中国北京的高压科学技术高级研究中心。王院士隶属于地质科学系。达尔,卡尔森和贾隶属于SIMES。

其他共同作者隶属于北京,中国和高级辐射源中心的高压科技高级研究中心芝加哥大学

这项研究是由美国能源部资助的。

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