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撞击!或将开辟制备工业用金刚石的全新方法

文章出处:莞深制造技术装备工业城 网址:www.gsgyc.cn 发表时间:2018.12.13

莞深工业城讯当携带石墨的陨石撞上地球时,撞击产生的高温高压能把石墨转变成稀有且极端坚硬的金刚石。长久以来,科学界一直对这种转变在原子层面是如何发生的存有争议。现在,科学家通过模拟并实时观测撞击的瞬间,解开了其中的一些谜题。

在美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)修建的首个此类撞击实验室中,华盛顿州立大学(Washington State University)物理学家约根德拉·古普塔(Yogendra Gupta)和同事以5.1千米/秒的速度将填充了氟化锂的子弹射向一个石墨圆盘,通过这种方式来模拟陨石撞击,并且使用超亮X射线以每秒1500亿帧的频率“拍摄”该过程。

“提到陨石撞击形成金刚石时,人们总是会问,转变是在哪个阶段发生的,是仅在压缩阶段,还是在压缩和撞击后应力释放这两个阶段都有,”古普塔说,“我们的实验非常清楚地表明,这一转变发生在压缩阶段”。具体来说,在50万倍大气压下,石墨在几十亿分之一秒内就会形成这种稀有的六方金刚石(hexagonal diamond,因晶体结构而得名)。新发现表明,形成金刚石所需的撞击强度或许并没有科学家之前认为的那么大。

古普塔称,早前的研究表明,六方金刚石需要在近200万倍大气压下才能形成,不过这一数字“存在很大争议”。还有一些研究表明,在较低压力下石墨的结构就会开始变化,不过这些实验中的X射线测试表明,较低压力下形成的金刚石是多种不同结构的混合物,因此,一直来以,“没人确切知道转变过程何时开始”,古普塔解释道。早前的研究大多是在压力逐渐升高的条件下研究原子转变的。与之相反,古普塔和同事的实验表明,突然的撞击可以直接形成六方金刚石,且形成的金刚石的内部结构完全由撞击方向决定。该研究已于2017年10月发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的物理学家洛林·贝内迪克特(Lorin Benedict,未参与此项研究)认为,“该研究最令人兴奋之处在于,研究者确定了一种晶型转变成另一种时,发生撞击的原子的准确位置。”

用这种方法得到的金刚石在压力下降后仍能保持其结构,不过古普塔想知道,当压力完全消失后,金刚石是否仍会保持稳定。这样的实验或许能产生制备工业用金刚石的全新方法。

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