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。立方晶體結構和強大的化學鍵賦予了鉆石超高的硬度。幾千年來，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50年代，科學家才首次成功制造出人造鉆石。

　　大多數天然鉆石形成于約150公里深的地幔中，地幔溫度超過1500攝氏度，壓強高達幾億帕。關于天然鉆石的確切形成機制，科學家們提出了不同理論。他們認為，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。

　　考慮到地幔獨特的電化學反應過程以及熔體的超高電導率，研究人員決定在實驗室中分析電場對鉆石形成過程的影響。

　　《科學進展》雜志當地時間1月21日報道，俄羅斯科學院研究人員Yuri Palyanov等人開發(fā)了一個鉆石制造模型。在模型中，高度局部電場發(fā)揮了核心作用。根據他們的設想，只要輸入一伏特左右的電壓，就能提供觸發(fā)化學轉變過程所需的電子。這些電子能使碳酸鹽中的某些碳氧化合物經過一系列化學反應變成二氧化碳，并最終形成鉆石形式的純碳。

　　為驗證該模型，研究人員開發(fā)了一個復雜的實驗設備：加熱系統(tǒng)包裹的毫米級鉑膠囊，被放置在一個能產生7.5吉帕高壓的加壓設備中。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驗。

相對低的壓強和附加電壓下形成的石墨

　　實驗結果表明，正如預期的那樣，在幾個小時的反應中，負極附近形成了微小的鉆石顆粒，直徑最大可達200微米。值得注意的是，只有在低電壓（0.5伏特）條件下，才會形成鉆石；在較低壓力下進行的實驗產物是石墨，這也與預期相符。

　　研究人員通過調換電壓極性，進一步驗證了假設——金剛石開始在另一個電極上生長。如果膠囊外部沒有額外供電，則既不會形成鉆石，也不會生成石墨。在鉆石顆粒附近，研究人員還發(fā)現了其他地幔礦物。

　　研究人員Michael Wiedenbeck說：“項目中使用的實驗設備令人印象深刻。”他與工程師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使用了二次離子質譜（SIMS）。SIMS是一種高度專業(yè)化的質譜儀，能夠為地球科學家提供微小樣本的高精度數據。

　　Wiedenbeck說：“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)模生產大型人造鉆石”。

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

期刊來源：《科學進展》

期刊編號：2375-2548

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

編譯：雷鑫宇