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在高压和附加电压下制成的钻石

　　钻石和石墨，都是特殊形式的纯碳。立方晶体结构和强大的化学键赋予了钻石超高的硬度。几千年来，钻石既是一种切割工具，也是一种出众的装饰品。直到20世纪50年代，科学家才首次成功制造出人造钻石。

　　大多数天然钻石形成于约150公里深的地幔中，地幔温度超过1500摄氏度，压强高达几亿帕。关于天然钻石的确切形成机制，科学家们提出了不同理论。他们认为，形成天然钻石的初始材料是富含碳酸盐的熔体，即富含氧和碳的镁、钙或硅化合物。

　　考虑到地幔独特的电化学反应过程以及熔体的超高电导率，研究人员决定在实验室中分析电场对钻石形成过程的影响。

　　《科学进展》杂志当地时间1月21日报道，俄罗斯科学院研究人员Yuri Palyanov等人开发了一个钻石制造模型。在模型中，高度局部电场发挥了核心作用。根据他们的设想，只要输入一伏特左右的电压，就能提供触发化学转变过程所需的电子。这些电子能使碳酸盐中的某些碳氧化合物经过一系列化学反应变成二氧化碳，并最终形成钻石形式的纯碳。

　　为验证该模型，研究人员开发了一个复杂的实验设备：加热系统包裹的毫米级铂胶囊，被放置在一个能产生7.5吉帕高压的加压设备中。胶囊中还引入了微型电极。研究人员在1300~1600摄氏度的高温下完成了一系列实验。

相对低的压强和附加电压下形成的石墨

　　实验结果表明，正如预期的那样，在几个小时的反应中，负极附近形成了微小的钻石颗粒，直径最大可达200微米。值得注意的是，只有在低电压（0.5伏特）条件下，才会形成钻石；在较低压力下进行的实验产物是石墨，这也与预期相符。

　　研究人员通过调换电压极性，进一步验证了假设——金刚石开始在另一个电极上生长。如果胶囊外部没有额外供电，则既不会形成钻石，也不会生成石墨。在钻石颗粒附近，研究人员还发现了其他地幔矿物。

　　研究人员Michael Wiedenbeck说：“项目中使用的实验设备令人印象深刻。”他与工程师Frederic Couffignal分析了Yuri等人制造的钻石。为了确定Yuri提出的钻石形成理论是否完全正确，他们必须非常精确地描述钻石的同位素组成。

　　因此，Wiedenbeck使用了二次离子质谱（SIMS）。SIMS是一种高度专业化的质谱仪，能够为地球科学家提供微小样本的高精度数据。

　　Wiedenbeck说：“借助SIMS，我们可以非常精确地确定亚毫米样品中的小范围组成。最终，我们证实碳同位素13C和12C的比例，与Yuri等人开发的模型完全一致。然而，必须指出的是，这种新方法不适合大规模生产大型人造钻石”。

　　Yuri补充道：“电场是影响钻石结晶化的重要附加因素。该结论可能对理解全球碳循环中的碳同位素比率变化非常重要。”

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

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

编译：雷鑫宇