在上個月底發表於Science Advances上的一項研究中，科學家在化學燃料中發現一種物質，在適當的壓力下，只需要很少的熱量，就能轉變為純金剛石。

這事兒聽起來就像鍊金術那麼神奇：將一團白色粉末，噴入鑲滿金剛石的壓力室，然後用鐳射照射。開啟壓力室，發現裡面出現了新的純金剛石微小斑點。

這項研究表明，通過仔細調節溫度和壓力，上面的配方就可以將從原油和天然氣中發現的一種碳氫分子變為金剛石。而且，這項研究令人興奮之處在於，它“騙過”了形成金剛石通常所需的熱力學方法。

論文作者之一Yu Lin展示一種具有一、二、三個籠狀結構的類金剛石模型，這種模型在極端高溫和高壓下，可以轉變為該圖右側的那種複雜的純碳金剛石晶格。圖/Andrew Brodhead

科學家用其他材料合成金剛石已經有60多年的歷史了，但是傳統方法通常需要消耗大量能量和催化劑（一般是金屬），耗時也很久，所以，這種系統就不太“清潔”，而這也會降低最終產品的品質。那麼，有沒有一個“清潔”的系統，並且該系統中的物質可以在沒有催化劑的情況下，轉變為純淨的鑽石呢？

科學家已經找到了答案。

“即便你只能製出很少量的這種純金剛石，也能在其中摻入別的物質，以實現特定方面的應用。”斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室材料與能源科學研究所科學家Yu Lin說道。

天然金剛石是在地底數百公里處的碳中結晶而成的，那兒的溫度高達數千攝氏度。迄今為止，大多數天然金剛石都是在數百萬年前的火山噴發中升到地表的，同時還攜帶了地底深處的古老礦物質。可以說，金剛石是帶回地底深處樣本的容器。因此，金剛石是了解地球內部存在的條件和物質的視窗。

在這項最新的研究中，為了合成金剛石，科學家使用了從石油中提取的三種粉末。這些粉末沒有味道，乍一看像是岩鹽。不過，利用顯微鏡觀察，訓練有素的研究者可以辨認出它們的原子排列成與金剛石單晶相同的分佈模式：它們看上去，好像把複雜的金剛石晶格切成了由一、二、三個籠狀結構的小單元。

當然，與純碳金剛石不同的是，這些粉末（也被稱為類金剛石）也含有氫。研究人員表示，利用這些材料，可以更快、更容易地製出金剛石，而且，相較於僅僅模仿自然界中形成金剛石的高壓和高溫，這項研究能夠讓人更完整地了解金剛石的形成過程。

研究人員將類金剛石樣品裝入一個梅子大小的、叫做“金剛石壓腔”的壓力室，這個腔室會把粉末壓在兩顆拋光的金剛石之間。只需用手擰一下螺絲，該裝置就能產生地心深處的那種極高壓力。

接下來，他們用鐳射加熱樣品，用一系列的測試來查驗結果，然後執行計算機模型來解釋樣品轉變的過程。科學家試圖回答一個基本問題，即籠狀結構或其數量，是否會影響類金剛石轉變成金剛石。

他們發現，被稱為金剛烷（triamantane）的三籠形類金剛石，只需很少的能量就能轉變為金剛石。在900K的溫度（約為1160華氏度、627℃，即熾熱熔岩的溫度），和20GPa的壓力下（大氣壓的數十萬倍），金剛烷的碳原子會迅速對齊，而其中的氫原子則會散開或脫落。在起初的一瞬間，類金剛石向金剛石的轉換其實就已經開始了。而且，這些原子並不會轉換為其他形式的碳，比如石墨。所以，轉換為金剛石是一個直接的過程。

當然，金剛石壓腔只能合成很微量的金剛石，所以實用性並不強。但是通過這項研究，科學家們對製造純精鋼石的關鍵之處有了更多、更深入的了解。

此外，這種新的合成機制如果走向成熟，所影響的絕不僅僅是珠寶行業。金剛石的物理性質（極高的硬度、光透明性、化學穩定性、高導熱性），使其成為醫療、工業、量子計算技術、生物感測等領域十分重要的材料。

這篇論文於2020年2月21日發表於Science Advances上，論文作者來自斯坦福大學、北京高壓科學研究中心、芝加哥大學等科研機構。

論文地址——

https://advances.sciencemag.org/content/6/8/eaay9405