碳单质新结构形态发现:可室温下转化为钻石

2015年12月04日 09:51 新浪科技 微博
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北卡罗来纳州立大学的科学家们发现了固态碳单质的一种新形态,并将其命名为“Q-carbon”。

这批钻石颗粒的重量为0.02、0.03和0.04克拉不等,总重约5.36克拉。图片来源:Swamibu/Wikipedia这批钻石颗粒的重量为0.02、0.03和0.04克拉不等,总重约5.36克拉。图片来源:Swamibu/Wikipedia

  文章来源:环球科学

  撰文 马特·希普曼(Matt Shipman)

  翻译 徐丽

  审校 张雪

  北卡罗来纳州立大学的科学家们发现了固态碳单质的一种新形态,并将其命名为“Q-carbon”,它的形态结构显著区别于我们熟知的石墨和钻石。同时,他们还研发出一项技术,可在常温常压下利用Q-carbon来制备近似钻石结构的物质。

  物相(phase)是同种物质的不同表现形态。石墨是碳单质的一种固态相,钻石则是另一种。

  “我们创造出了固态碳的第三种形态,”杰伊·纳拉扬(Jay Narayan)表示,他是北卡罗来纳州立大学的特聘讲座教授,同时也是这项研究的三篇相关论文的第一作者。“自然界中,只有在某些行星的核部才有可能发现它的踪影。”

  神奇的Q-carbon

  Q-carbon有些独特的性质。比方说,它具有铁磁性——这是其他固态形式的碳单质所没有的。除此之外,Q-carbon的硬度比钻石还大,且哪怕暴露在较低的能量下,它也会闪闪发光。

  “Q-carbon的高硬度和较低的功函数(这意味着更易于释放电子)使其在新型电子显示技术的开发中大有潜力。”纳拉扬说道。

  但Q-carbon也能用于制备各种单晶钻石类物质。为了充分理解这点,我们需要先了解Q-carbon的制备工艺。

  用Q-carbon制造钻石

  科学们家从蓝宝石、玻璃或者塑料聚合物等基底材料着手,在其表面涂上一层无定形碳——即没有规则晶体结构的碳单质,然后采用单激光脉冲扫描这层无定型碳约200纳秒。在扫描过程中,碳温度会升至4000K(约3727℃),然后迅速冷却。该操作过程均在恒定压力(大气压)下进行。

  最终我们会得到薄薄的一层Q-carbon,研究人员也能控制工艺过程,得到介于20nm到500nm之间任意厚度的碳层。

  研究人员还可通过选择不同的基底材料以及改变激光脉冲的宽度来控制冷却的速度,从而在Q-carbon内部产生钻石结构。

  “我们可以制备出钻石纳米针、微米针、纳米点或者是大面积的钻石薄膜,应用于药物输送、工业处理或用以制造高温开关和电力电子设备,”纳拉扬说道,“这些钻石材料都具有单晶结构,其强度高于多晶材料。而且,整个工艺可在常温常压下完成,只需要使用一束激光眼科手术那样的激光。因此,我们不仅可以研究其新的应用范围,而且这个过程的工艺成本也很低廉。”

  如果研究人员希望更多的Q-carbon能转化为钻石,他们只需要重复激光扫描和冷却过程就可以了。

  如果Q-carbon比钻石还坚硬,为什么还要制备钻石纳米点而不直接制备Q-carbon纳米点呢?因为我们对于这种新材料的认识太有限了。

  “我们能制备Q-carbon薄膜,也在不断研究它的性质,但仍处于学习如何掌控它的初级阶段,”纳拉扬说道,“我们对钻石已经非常了解,所以才能制备钻石纳米点。但我们还不知道如何制备Q-carbon纳米点和微米针,这也是我们研究的重点。”

  北卡罗来纳州立大学已为Q-carbon与钻石制备技术申请了两项临时专利。

标签: 碳单质钻石

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