金刚石被认为是地球上最坚硬的自然形成的物质之一。这一过程还需要极高的压力和极高的温度，一般超过1000℃。研究人员在实验室中利用高压压力装置或爆炸物，通过加热和压缩石墨，成功合成出微量的蓝丝黛尔石。研究结果已于近日发表于Small。这表明，在室温下剪力是这些金刚石形成的关键。研究人员表示，接下来面临的挑战就是降低形成金刚石所需的压力。
2020年11月23日 新浪科技综合
来源：原理
碳原子能够以多种方式结合在一起，形成截然不同的材料，比如柔软的黑色石墨、极薄的石墨烯，还有坚硬而透明的金刚石。这也是为什么许多人调侃，钻石也不过是块“碳”。
但从某种程度上来说，“钻石恒久远，一颗永流传”这句广告语也不无道理。金刚石被认为是地球上最坚硬的自然形成的物质之一。在自然中，它们形成于地球深处，通常需要长达数十亿年时间的“历练”。这一过程还需要极高的压力和极高的温度，一般超过1000℃。
金刚石与蓝丝黛尔石的原子结构示意图。| 图片来源：The Conversation
事实上，不止一种碳基材料具有类似金刚石的结构。普通金刚石中的碳原子会排列成立方体的晶体结构；然而，也有碳原子排列成六方晶体的情况，这种不同形式的金刚石被称为蓝丝黛尔石（Lonsdaleite），它是以利用X射线来研究碳结构的爱尔兰晶体学家凯瑟琳·朗斯代尔（Kathleen Lonsdale）命名的。作为一名生活在20世纪上半叶的女性科学家，朗斯代尔创造了许多“第一次”——她是UCL第一位女性终身教授，国际晶体学学会第一位女性主席，不列颠科学促进会的第一位女性主席……
凯瑟琳·朗斯代尔。| 图片来源：Smithsonian Institution / Wikimedia Commons
蓝丝黛尔石很曾在亚利桑那州迪亚布洛峡谷的陨石坑被发现。一些科学家对这种物质很感兴趣，因为据预测，它的坚硬程度应该比“最坚硬”的普通金刚石还要高58%。
事实上，金刚石在许多领域都是一种极具吸引力的材料，它有超高的硬度、良好的导热性等许多优点，应用十分广泛。正因如此，人们也一直在寻求人工合成金刚石的稳定途径。
早在1954年，金刚石已经在实验室中被合成了出来。美国物理化学家特雷西·霍尔（Tracy Hall）在实验室中模拟了地壳之下的自然条件，并加入金属催化剂来加速生长过程，最终成功地制造出了金刚石。这种高压、高温的金刚石与自然界中发现的金刚石相似，但它们的体积往往比较小，不够完美。直到今天，人们仍在使用高温高压的方法，主要是在一些工业应用中。
另一种制造金刚石的主要方法是通过一种化学气体工艺，这需要利用一颗小型的金刚石作为“种子”，“长出”更大的金刚石。这种方法同样需要800℃左右的温度。虽然这种金刚石生长相当缓慢，但它们可以长得很大，相对来说也少有缺陷。
蓝丝黛尔石的人工合成也曾被实现。研究人员在实验室中利用高压压力装置或爆炸物，通过加热和压缩石墨，成功合成出微量的蓝丝黛尔石。
但问题是，所有这些制造方法似乎都离不开高温条件。然而近日，一组国际团队第一次在未经加热的条件下，在实验室中成功地制造出金刚石。在室温条件下，他们只用了几分钟时间就制造出了金刚石和蓝丝黛尔石。研究结果已于近日发表于Small。
一些研究人员已经注意到，自然界提供了形成金刚石的其他方式的线索。比如，在陨石猛烈撞击地球的过程中，以及在太阳系高速运行的小行星碰撞过程中也可能形成金刚石，我们称之为“地外金刚石”。
在研究地外金刚石形成的过程中，有证据表明，除了高温和高压之外，剪力（或者说“滑动力”）对触发形成可能也起到了重要作用。
剪力示意图。| 图片来源：Wikimedia Commons
受到剪力的物体会在顶部被往一个方向推动，在底部则朝着相反方向推动。举个例子，如果我们把一摞牌的顶部往左推，底部往右推，就会使这一摞牌滑动，牌就会散开。这也是为什么剪力也被称为“滑动”力。
在新研究设计的实验中，一小块类似石墨结构的碳承受了极端的剪力和高压。与之前的大多数工作不同，在压缩的过程中，研究人员没有对碳样品进行任何额外加热。利用先进的电子显微技术（一种用于捕捉非常高分辨率图像的技术），他们发现，压缩后的样品既含有普通金刚石，也含有蓝丝黛尔石。
新研究用实验证明了，仅仅通过施加高压，金刚石和蓝丝黛尔石都可以在室温下形成。
样品的电镜照片。| 图片来源：The Conversation
在这种前所未见的排列中，一条狭长的金刚石“河流”（比一根头发还要细约200倍）被蓝丝黛尔石的“海洋”包围。这种排列结构非常像在其他材料中观察到的“剪切带”，剪切带中狭窄区域会经历强烈的局部应变。这表明，在室温下剪力是这些金刚石形成的关键。
在室温下，用几分钟就能制造出金刚石，这提供了许多可能性，特别是对于那些需要极其坚硬材料的行业来说，能够利用这种方法来制造“比金刚石还硬”的蓝丝黛尔石，绝对是一个令人兴奋的消息。
研究人员表示，接下来面临的挑战就是降低形成金刚石所需的压力。这项研究观察到的室温下金刚石形成所需的最低压力是80吉帕斯卡——这相当于在一只芭蕾舞鞋的鞋尖上放640头非洲象！
他们相信，如果金刚石和蓝丝黛尔石都能在较低的压力下被制造出来，那我们就能更快地制造出更多更廉价的金刚石。同时，这也能帮助进一步了解金刚石是如何在地球、陨石撞击过程甚至宇宙中其他地方形成的。
