科学家成功在常温常压下制取金刚石

北卡罗来纳州立大学的研究人员发现了固态碳的一个新阶段——碳，它不同于已知的石墨和钻石。与此同时，他们还开发了一种在室温和大气压力下使用碳氧化合物制备金刚石相关结构的技术。

“香”到底是什么意思？简而言之，“相位”是同一材料的不同形式。例如，石墨是碳的固相，而金刚石是另一种固相。

约翰·范(北卡罗莱纳州材料科学与工程杰出教授，三篇相关论文的主要作者)说:

“我们现在已经创造了碳的第三阶段，它可能只存在于自然界某些行星的原子核中。”

这种碳有一些不寻常的特征。一方面，它具有铁磁性，这在其他固体碳中是找不到的。此外，碳Q比钻石硬，即使暴露在低能量下也能发光。纳拉扬说:

“碳的强度及其低功函数——发射电子的能力——使其在开发新的电子显示技术方面具有潜在的用途。”

碳也用于生产各种单晶金刚石材料。如果你想知道它是如何变成钻石的，你必须首先了解碳的制备过程。

研究人员从衬底开始，比如蓝宝石、玻璃或塑料聚合物，然后用无定形碳覆盖衬底(不像石墨或金刚石，它是元素碳，没有常规和明确的晶体结构)。之后，它被持续约200纳秒的单一激光脉冲轰击。在这个过程中，它的温度上升到4000开尔文(相当于大约3727摄氏度)，然后迅速冷却。这项操作是在大气压力下进行的——就像我们周围的空气压力一样。

最终的结果是一个碳质薄膜，研究人员可以控制这个过程，使薄膜的厚度在20纳米到500纳米之间。通过使用不同的衬底和改变激光脉冲的持续时间，研究人员还可以控制碳冷却的速度。通过改变碳的冷却速度，可以从碳中制备金刚石结构。

“我们可以制造金刚石纳米针或微操作针、纳米点或大面积金刚石薄膜——它们可以用于药物输送、工业生产以及高温开关和电力电子设备的制备。”纳拉延说，“这些钻石制品具有单晶结构，这使得它们比多晶材料更硬，它们可以在室温和环境大气压力下制造，我们基本上只使用激光眼科手术所用的激光强度。因此，这不仅使我们能够开发新的应用，而且工艺本身也相对便宜。”

如果研究人员想将更多的碳转化成钻石，他们可以简单地通过重复激光冷却过程来实现。

奇怪的是，如果碳Q比钻石更硬，为什么我们要努力把它转化成钻石纳米点，而不是完全使用碳Q纳米点呢？这是因为我们仍然需要更多地了解这种新材料。

“我们可以制备碳质薄膜，而且我们一直在了解这种新材料的特性，但我们仍处于了解操控过程的早期阶段。”纳拉延说，“我们已经对钻石有了很好的了解，所以我们可以使用钻石纳米点，但是我们对如何制造碳纳米点和微操作针知之甚少——这也是我们正在努力的方向。”

北卡罗来纳已经颁发了两项关于碳和钻石制备技术的临时专利。

这项工作在两篇论文中有所描述，并于10月7日发表在《应用语言学材料》上。

蝌蚪君编译自phys.org，译者lwl，转载时必须注明来自蝌蚪工作人员