你可能很難想象,用強大的激光爆破普通塑料薄膜,就可以產生微小的鉆石。事實上,研究人員以往就曾順利地通過向碳和氫的混合物發射激光來制造納米鉆石,但這需要超高的壓力,且鉆石容易發生解體。
而近期,美國加州SLAC國家加速器實驗室的Siegfried Glenzer和他的同事們發現,通過使用一種叫做PET的簡單塑料(通常用于食品包裝、塑料瓶和其他容器),他們可以在不那么極端的條件下輕松造出鉆石。
在實驗中,研究人員們使用了高能脈沖光學激光器來驅動沖擊壓縮波進入PET塑料薄膜。當他們向塑料發射強大的激光時,它的溫度上升到3200℃到5800℃之間,激光脈沖產生的沖擊波使塑料的壓力達到720吉帕斯卡以上——相當于地核壓力的五分之一。這會將氫和氧從碳中分離出來,留下幾納米寬的小鉆石和一種被稱為超音速水(superionic water)的水,這種水比普通的水更容易導電。
Siegfried Glenzer表示,與之前使用其他材料進行的實驗相比,這種情況發生在較低的壓力下,因此整個制造過程相當具有自身的獨特優勢。
由德國、法國和美國的研究人員共同開展的這項實驗,也可能為地球上的鉆石生產與制造帶來更優的工業級工藝。
據介紹,整個過程中,該研究團隊一共使用了兩種主要的診斷技術:X射線衍射,展示了鉆石晶體結構正在形成;小角度X射線散射,提供了鉆石的原位尺寸分布。在一個實驗中結合這兩種技術,是在極端條件下表征化學反應的一種極其有效的方法。研究人員在SLAC直線加速器相干光源(LCLS)設施的MEC儀器上中產生沖擊波。然后,他們用LCLS的X射線脈沖來探測塑料中發生了什么。
在最后的實驗結果中,鉆石的尺寸達到了大約2-5納米。這大約是100-1000個碳原子的尺寸,比人類頭發的厚度還小10000倍。值得注意的是,在該實驗中,鉆石只有納秒的時間可以生長,所以它們還很微小(僅幾微克),在形成之后還要收集起來。而如果在行星上,它們就會在數百萬年內變得更大。
就目前的情況來看,這個實驗中使用的方法還不能以接近實際工業工藝的水平生產出足夠多的納米鉆石。然而,Siegfried Glenzer指出,這項新技術比目前使用炸藥生產工業納米鉆石的方法更清潔環保、更容易控制。此外,研究團隊認為,他們采用這種工藝會比當下的方法更有效率。如果他們能設計出改變反應性的方法,就能改變鉆石形成的速度,從而改變它們的大小。
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