美國(guó)俄亥俄州的凱斯西儲(chǔ)大學(xué)近日宣布，該校研究團(tuán)隊(duì)在常壓和接近室溫的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上成功研制出納米金剛石。跟常規(guī)金剛石制備方法截然不同，該技術(shù)沒(méi)有利用高溫高壓，也沒(méi)有利用金剛石生長(zhǎng)所需的襯底材料，僅利用了一種氣體。         該技術(shù)為諸多科研和工業(yè)應(yīng)用開(kāi)辟了新的思路。諸如超細(xì)金剛石微粉涂層塑料、柔性電子設(shè)備、植入管、藥物輸送裝置等涉及到金剛石優(yōu)越性能的產(chǎn)品都將受益匪淺。

        這項(xiàng)技術(shù)成果發(fā)表在Nature Communications期刊上，是凱斯西儲(chǔ)大學(xué)金剛石研究項(xiàng)目的一次創(chuàng)新突破。

        化學(xué)工程系的副教授，同時(shí)也是此次項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者M(jìn)ohan Sankaran說(shuō)：在室溫和常壓下，乙醇蒸氣被轉(zhuǎn)化為金剛石，這一過(guò)程并不復(fù)雜。乙醇蒸氣被泵入等離子體，通過(guò)增加氫最終制備出納米金剛石顆粒。只要條件合適，任何實(shí)驗(yàn)室都可制備出這種金剛石。

        由于該制備過(guò)程常溫常壓的條件，像塑料這類材料就不會(huì)被融化，這就為一些高端技術(shù)的應(yīng)用提供了很大便利。金剛石素以高硬度、優(yōu)越的光學(xué)性能和高熱導(dǎo)率而著稱。跟碳和石墨的其他形式不同，金剛石是半導(dǎo)體，與硅的某些屬性類似，在電子工業(yè)制備中是一種重要的材料。

        制備金剛石的過(guò)程雖簡(jiǎn)單，但掌握精確的氣體濃度和氣體流卻耗時(shí)不短。

        凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的退休名譽(yù)教授Sankaran 和John Angus早在八年前就提出在常溫常壓條件下制備納米金剛石的設(shè)想。Angus在上個(gè)世紀(jì)六七十年代曾利用高溫低壓的方法制備出金剛石薄膜，也即現(xiàn)在常用的化學(xué)氣相沉積法（CVD）。而Sankaran則利用冷卻微等離子體制造出了納米金剛石顆粒。

        現(xiàn)在，制備金剛石通常需要高溫高壓的條件將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石；或者將氫氣和加熱的襯底結(jié)合，以此來(lái)生長(zhǎng)金剛石。

        “就納米尺寸而言，表面能（surface energy）使金剛石比石墨更穩(wěn)定”，Sankaran解釋道，“如果能夠?qū)崿F(xiàn)氣相狀態(tài)下5納米碳團(tuán)簇的成核，那么常壓常溫下就可以實(shí)現(xiàn)金剛石的制備”。

        首先，研究者研制出一種等離子，具有類似于氣態(tài)的性質(zhì)，并且一部分帶電或電離。火花就是一種等離子，但是它的溫度高且不可控。

        為創(chuàng)造一個(gè)安全的低溫環(huán)境，工作人員在僅有頭發(fā)絲直徑大小的管道中泵入氬氣，并對(duì)其進(jìn)行電離，從而得到微等離子體。這種微等離子體的形態(tài)就像正在燃燒的燃料一樣。然后，研究者又將碳源——乙醇泵入這些微等離子體，從而使碳不受氣體中其他分子的影響從而生成了2~3納米大小的粒子，最終產(chǎn)物就是納米金剛石。

        緊接著在不足1微秒（一百萬(wàn)分之一秒）的時(shí)間里，研究者繼續(xù)輸入氫氣，這樣就可以帶走那些尚未變成金剛石顆粒的碳，同時(shí)還能保持已成型金剛石顆粒的穩(wěn)定性。

        目前，實(shí)驗(yàn)制備出的僅是金剛石微粉，尚未達(dá)到飾品級(jí)鉆石的尺寸。Sankaran 和Kumar一直在不懈努力，力爭(zhēng)將金剛石的平均直徑保持在2納米左右。

        團(tuán)隊(duì)花了近一年時(shí)間來(lái)驗(yàn)證他們制備出的最終產(chǎn)物就是金剛石，以及該工藝能否復(fù)制。Kumar介紹，驗(yàn)證用了很多不同的方法，其中還用到了拉曼光譜來(lái)分析這些納米粒的成分。

        目前，納米金剛石通常用爆炸法制備，碳素在瞬時(shí)產(chǎn)生和消失的超高壓高溫條件下，發(fā)生相變成金剛石顆粒；耗時(shí)短成本低。但金剛石顆粒容易聚簇，大小、純度不一。而凱斯西儲(chǔ)大學(xué)此次研究的新型金剛石制備方法則很好的解決了這些問(wèn)題，金剛石純度更高，粒度更小。

        實(shí)驗(yàn)共制備出三種類型的金剛石：立方型，跟鉆石結(jié)構(gòu)類似；含氫型；六方型。六方型金剛石近年來(lái)被科學(xué)家在外太空頻頻發(fā)現(xiàn)，據(jù)研究，外太空恒星際灰塵發(fā)生撞擊所產(chǎn)生的高壓實(shí)際上也參與了外太空中石墨碳變成金剛石的過(guò)程，俗稱恒星鉆。Sankaran說(shuō)：“我們制備金剛石的這種新方法或許和外太空恒星鉆的產(chǎn)生原理是一樣的；事實(shí)上，外太空中也存在著等離子體和乙醇。”

        團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步研究能否改進(jìn)制備工藝，從而生產(chǎn)出特定需求的金剛石并使其性能具備可控性。在上述三種金剛石類型中，六方型金剛石就要比立方金剛石的硬度高。

        實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)也是研究團(tuán)隊(duì)下一步的目標(biāo)。Sankaran十分看好其前景：將來(lái)，隨著該技術(shù)的完善成熟，廉價(jià)簡(jiǎn)易的制備工藝將會(huì)給工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)更多新穎先進(jìn)的應(yīng)用。（編譯自“Nanodiamond production in ambient conditions opens door for flexible electronics, implants and more”）