钻石哪里来?行星撞地球

DeepTech深科技 2018-11-07 14:06:08

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钻石哪里来?行星撞地球,当然这种做法肯定是得不偿失。


人类大概已经忘了地球被小行星撞击时的恐惧了。想象一下,小行星以20倍于步枪子弹的速度撞向地球,撞击的当量相当于数百万吨的核弹爆炸,方圆千里化为灰烬,金属粉尘弥漫天际。


也许,你能从行星撞击之后居然会产生钻石这件事找到些许安慰。


信不信由你,一个国际科学团队发表了这个结果证实:来自撞击产生的大量的热和压强将碳变成了钻石。激光,X射线,行星撞地球,钻石! 跟我一起来解秘。


我们都知道钻石是碳元素的一种存在形式。说到碳,你脑海肯定浮现出一块蓬松漆黑的煤。煤是非晶体形的碳,碳原子以杂乱无章的形式散布。整个物质没有规则一致的结构。钻石和煤是碳的同素异形体。



石墨是一层层正六边形排列的碳原子平面结构


石墨是另一种碳的同素异形体。碳原子在平面以正六边形的方式整齐排列。石墨同一层平面的碳原子十分坚固稳定,而不同单层石墨之间则会轻易发生滑动。



钻石中的碳原子以立体的正四面体结构排布


那么钻石的结构呢,碳原子以互相连接的四面体为晶格组成钻石。钻石为什么那么坚硬呢?一颗钻石往往有数以亿计的碳原子,所有的碳原子在三维空间里都形成稳定的化学键,这些化学键很难被破坏。地球上天然的钻石都是在地壳之中形成,地壳里特有的高温高压环境会促使碳原子以正四面体排列。


钻石也有细微不同的结构。其中一种叫做六方金刚石(又叫六方碳,蓝丝黛尔石)以晶体分析学家蓝丝黛尔为其命名。在2014年的一篇文章里提到过:它的不同之处在于,类似钻石的四面体结构以之字六边形(不在一个水平面的六边形)相互连接。六方金刚石在地球上不是天然存在的,它仅在陨石中被发现过。比如说代亚布罗峡谷陨石坑,是5万年前一块落在美国亚利桑那沙漠的镍铁陨石所致。



六方金刚石是一种钻石,但是碳原子以一种不同于钻石的四面体方式排列。


还有一种可能是陨石中的钻石并不纯净,关于这个观点一直众说纷纭。


科学家们尝试过在实验室中制造出六方晶刚石,但都不太成功。直到他们们借助了激光的帮忙,这也我们今天的第二个关键词。


科学家尝试着用两束高能激光轰击石墨来制造六方金刚石。高达千兆焦耳的激光射向石墨,虽然只是短短10纳秒的脉冲,也足够石墨发生奇妙的变化了。


高能激光的冲击产生一股强大的冲击波。这股冲击波有多强呢?坐稳了,200万倍的大气压强!这压强足够破坏碳原子之间的原子键然后使这些碳原子以四面体的方式重新排列了。


接下来就是证实这个结构了。怎么做呢?用X射线晶体学。


那么就开始介绍今天第三个关键词。相同的晶体都有完全一致的结构。一束x射线通过晶体,光子发生衍射,既绕着晶体结构发生细小弯曲。如果这个时候在X射线发射端的另一面放上一个x射线检测器,光子弯曲的方式都能被显现出来。对于不同的晶体结构,x射线检测到的光子弯曲都是独有的。所以它就像晶体的指纹一样来帮助科学家决定晶体的种类。


科研人员在激光轰击石墨样品的同时开始x射线晶体学检测,这有助于他们实时观察激光轰击过程中晶体结构的变化。你相信吗,这些x射线以50飞秒的间隔连续发射。那是什么概念?10的负15次方秒,1毫秒的10亿分之一。


科学家们竟然能够如此轻松自如的操控微观世界的物质和能量。太惊人了。


总之,用x射线晶体学检测激光轰击的石墨样品得到的结果是,六方金刚石被制造出来了!



一小块(10克)代亚布罗峡谷陨石,橙色的斑点是铁锈而不是六方金刚石。


除此之外,他们发现石墨在50万倍的大气压下会变成钻石,而在200万倍的大气压下会变成六方金刚石。在小行星撞击地球的过程中这种级别的压强是很常见的。(比方说代亚布罗峡谷陨石坑里大概三五十米宽的大铁块)


在实验室中重现行星撞击地球的物理环境,并成功制造出钻石具有很多重要意义,我们对行星撞击了解的越多越好。六方金刚石的结构使它比钻石还要坚硬,有很多潜在的工业级应用。目前,实验室使用的石墨原料只有人的头发厚度的量,随着研究的进一步推进,大规模工业合成六方金刚石或将变成现实。


科学技术总是让我们兴奋不已,我们从了解自然到模仿自然。偶尔造个闪闪发光的钻石什么的,对吧。


翻译:段鲸鱼   DeepTech深科技编辑整理,转载须授权



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