德国科学家利用强力激光将普通塑料转化为数十亿颗微小钻石

钻石恒久远，一颗永流传。可如果告诉你，钻石也能从一张普通塑料片里“打”出来呢？

德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心与罗斯托克大学的科学家，刚刚完成了一项看似魔术的实验。他们用超强激光轰击塑料，成功收集到了完好无损的纳米钻石。

这些钻石平均直径只有3纳米，也就是十亿分之三米，每颗大约由3000个碳原子组成。研究成果于今年8月发表在材料学期刊《金刚石及相关材料》上，论文第一作者是亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心的本·霍伊泽。

真正的难点不在于造出钻石，而在于把它们“接住”。因为这些钻石诞生的瞬间，飞行速度堪比陨石撞击。

这项研究的意义还在于，它证明了钻石能够从极端高温高压的环境中“活着”回到常温常压。这为把实验室奇观变成实用技术，迈出了关键一步。

从冰巨星内部得到的灵感

这项研究最初并不是为了造钻石，而是为了模拟海王星和天王星的内部环境。

在这两颗冰巨星深处，温度高达数千摄氏度，压力是地球大气压的数百万倍。科学家早就推测，那里可能正下着一场“钻石雨”。

为了验证这一猜想，研究人员用高功率激光轰击塑料。塑料中的碳在极端条件下重新排列，变成了钻石。

位于布拉格南部ELI Beamlines设施L4n-P3实验站的实验装置，纳米金刚石的制备实验在此进行。图片来源：ELI Beamlines

不过，早期实验只能在极端条件持续的短暂瞬间探测到钻石，一转眼它们就消失得无影无踪。

研究人员只能借助X射线等手段，在纳秒级的瞬间“瞥见”钻石的身影。至于它们长什么样、能否保存下来，当时谁也说不清。

团队负责人、罗斯托克大学教授多米尼克·克劳斯回忆说，他们本就预料到会形成纳米钻石。真正让人惊讶的，是它们形成的速度之快。

正是这种惊人的速度，让团队立刻意识到：这或许可以变成一种全新的钻石制造技术。克劳斯如今还是亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心新成立的高能量密度物理研究所的创始所长。

给“陨石级”钻石一张软床

要把钻石带回来仔细研究，团队来到了位于布拉格以南的欧洲极端光基础设施。

这台激光装置的特点是脉冲能量极高，而且能够高频率地反复发射。

对于需要大量重复打靶才能积累样品的实验来说，高重复频率至关重要。否则，收集到足够研究的钻石可能要耗费数年时间。

实验中，高功率激光每分钟发射三次，轰击一张厚度仅100微米的PET塑料薄膜。PET正是常见饮料瓶的主要材料。

激光在薄膜上逐点扫描，每一次脉冲都会产生一道冲击波，把塑料压缩到约100吉帕的高压，瞬间形成纳米钻石。

克劳斯解释说，当压缩波到达样品末端，会突然冲入真空，把纳米钻石加速到每秒10公里以上。

这样的速度，相当于每小时3.6万公里，足以让钻石撞上收集装置时粉身碎骨。

为此，研究人员选择了一种能在真空中工作的水溶性离子凝胶，作为钻石的“软着陆垫”。

钻石被凝胶接住后，再经过溶解和提纯，就能拿出来仔细研究。

虽然每一枪大约能产生10万亿颗钻石，但它们实在太小了。团队需要发射约100次，才能收集到几百微克的材料。

借助罗斯托克大学的高分辨率电子显微镜，研究人员第一次直接看到了这些微小的钻石，分辨率甚至能达到单个原子。

显微镜下，这些钻石大小相近、结构完整，证明它们经历了从高压到常压的剧烈变化后依然完好。

霍伊泽说，那是他们努力多年才等来的特别时刻。

小钻石，大用途

纳米钻石坚硬、稳定、耐高温，如今已被用于研磨和抛光材料。

但传统方法，包括爆炸法，很难同时做到纯度高、颗粒极小，而且大小高度均匀。激光法恰恰在这三点上表现出色。

更小、更纯、更均匀的颗粒，有望在医学、新材料和能源技术中大显身手。

比如，它们可以用于制造极其灵敏的量子传感器，利用量子效应进行精密测量。

它们还可以成为医学影像中的造影剂，让体内的结构在扫描中显示得更清楚。

颗粒越小，相同质量下的总表面积就越大，可供化学反应发生的“舞台”也越多。这让纳米钻石有望成为更高效的催化剂，比如用于借助阳光分解二氧化碳。

用塑料作原料还有一个额外好处：更容易把其他元素的原子掺进钻石里。这种“掺杂”能为特定用途量身定制颗粒，比如改进核磁共振检查的造影剂。

当然，从几百微克到工业化生产，中间还有很长的路要走。

目前的产量还远不足以满足商业需求，激光设备的成本和能耗也是必须跨越的门槛。

好消息是，核聚变研究正在推动激光技术进步，更节能、更高频的激光器不断出现。

研究人员希望借助这些进展，把产量提升到毫克级别，达到可与传统工艺相比的水平。

团队的野心还不止于此。他们计划在11月进行首次实验，尝试用更高的压力，从塑料直接制造一种名为BC8的碳结构。

这种碳此前只存在于理论预测中，被认为比钻石更致密，硬度相近，却没有那么脆。

如果成功，人类或许将第一次亲手造出一种连地球上都找不到的“超级钻石”。

从一张塑料薄膜到一场人造钻石雨，这项研究再次证明：极端的物理条件，往往能打开最意想不到的大门。