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科学家们对钻石很感兴趣——不是用来装饰珠宝的那种,而是比人类头发还细的微小种类。这些所谓的“纳米钻石”几乎完全由碳构成。但是,通过将其他元素引入纳米金刚石的晶格(一种被称为“掺杂”的方法),研究人员可以得到在医学研究、计算等领域有用的特征。在2019年5月3日发表于《科学进展》(Science
Advances)上的一篇论文中,华盛顿大学(University of
Washington)、美国海军研究实验室(U.S. Naval Research
Laboratory)和太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National
Laboratory)的研究人员宣布:他们可以利用极高的压力和温度来掺杂纳米金刚石。

实验室首次揭示了地球上最丰富的化学元素之一的异常复杂形态。

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研究人员创造了一种结晶形式的氮 – 在正常条件下是空气的主要成分 –
通过使其承受极端的压力和温度。该研究首次表明,简单的分子元素在高压下可以具有复杂的结构。研究人员说,它可以为其他因素的类似研究提供信息。由爱丁堡大学领导的一个国际科学家团队使用高压金刚石尖头铁砧挤压少量氮气,压力是地球大气压的五十万倍,同时将其加热到约500摄氏度。

研究小组用这种方法将纳米金刚石与硅结合,使金刚石发出深红色的光,这一特性将使它们对细胞和组织成像有用。研究小组发现,该方法还可以将纳米金刚石与氩掺杂在一起。氩是一种稀有气体,是一种与气球中的氦有关的非反应性元素。掺杂这种元素的纳米金刚石可以应用于量子信息科学——一个迅速扩展的领域,包括量子通信和量子计算。华盛顿大学材料科学与工程副教授、太平洋西北国家实验室研究员Peter
Pauzauskie说:该方法通过仔细选择合成过程中使用的分子起始材料,有意地在金刚石纳米晶体中掺杂其他元素。

然后,他们使用专业的X射线技术捕获所得晶体的图像,并惊讶地发现氮已形成由数十个分子组成的复杂排列。该团队曾期望发现一个更简单的结构。他们的发现解决了对这种形式的氮结构的推测,称为-N2。这是在15年前发现的,但它的结构直到现在都是未知的。

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新结构的计算机模拟给出了有价值的见解,发现它非常稳定。该研究发表在Nature
Communications上,与法国的欧洲同步辐射装置和中国的研究人员合作开展。它得到了工程和物理科学研究委员会的支持。负责这项研究的爱丁堡大学物理与天文学院的罗宾特恩布尔说:我们希望这些结果能够进一步调查为什么相对简单的元素应该形成如此复杂的结构

钻石砧细胞的侧视图,用于在靠近细胞中心的两个人造钻石之间产生超过15吉帕压力。图片:Mark
Stone/University of Washington

  • 重要的是我们一直在寻找有希望的新科学调查线。

掺杂纳米金刚石的方法还有离子注入等,但这一过程往往破坏晶体结构,引入的元素被随意放置,限制了性能和应用。在这里,研究人员决定在纳米金刚石合成后不进行掺杂。相反在分子成分中掺杂他们想要引入的元素来制造纳米金刚石,然后使用高温和高压来合成含有这些元素的纳米金刚石。从原理上讲,这就像做蛋糕一样:在面糊中添加糖比在烘焙后添加糖要简单得多,也更有效。研究小组研究纳米金刚石的出发点是一种富含碳的材料(类似于木炭,保罗斯基说)研究人员将这种材料纺成一种轻质多孔基质,称为气凝胶。

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然后在碳气凝胶中掺杂了一种叫做正硅酸四乙酯的含硅分子,这种分子被化学地整合在碳气凝胶中。研究人员将这些反应物密封在一个金刚石砧细胞的垫圈内,这样可以在垫圈内产生高达15千兆帕的压力。作为参考,1gigapascal大约是10000个大气压,或者是海洋最深处压力的10倍。为了防止气凝胶在如此极端的压力下被压碎,使用氩气作为压力介质。在将材料加载到高压下后,研究人员用激光将电池加热到3100华氏度以上,超过太阳表面温度的三分之一。

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