效率更高！利用高能脉冲激光，科学家将塑料变成纳米钻石

2022-09-14 09:30

你可能很难想象，用强大的激光爆破普通塑料薄膜，就可以产生微小的钻石。事实上，研究人员以往就曾顺利地通过向碳和氢的混合物发射激光来制造纳米钻石，但这需要超高的压力，且钻石容易发生解体。

而近期，美国加州SLAC国家加速器实验室的Siegfried Glenzer和他的同事们发现，通过使用一种叫做PET的简单塑料(通常用于食品包装、塑料瓶和其他容器)，他们可以在不那么极端的条件下轻松造出钻石。

在实验中，研究人员们使用了高能脉冲光学激光器来驱动冲击压缩波进入PET塑料薄膜。当他们向塑料发射强大的激光时，它的温度上升到3200℃到5800℃之间，激光脉冲产生的冲击波使塑料的压力达到720吉帕斯卡以上——相当于地核压力的五分之一。这会将氢和氧从碳中分离出来，留下几纳米宽的小钻石和一种被称为超音速水（superionic water）的水，这种水比普通的水更容易导电。

Siegfried Glenzer表示，与之前使用其他材料进行的实验相比，这种情况发生在较低的压力下，因此整个制造过程相当具有自身的独特优势。

由德国、法国和美国的研究人员共同开展的这项实验，也可能为地球上的钻石生产与制造带来更优的工业级工艺。

据介绍，整个过程中，该研究团队一共使用了两种主要的诊断技术：X射线衍射，展示了钻石晶体结构正在形成；小角度X射线散射，提供了钻石的原位尺寸分布。在一个实验中结合这两种技术，是在极端条件下表征化学反应的一种极其有效的方法。研究人员在SLAC直线加速器相干光源（LCLS）设施的MEC仪器上中产生冲击波。然后，他们用LCLS的X射线脉冲来探测塑料中发生了什么。

在最后的实验结果中，钻石的尺寸达到了大约2-5纳米。这大约是100-1000个碳原子的尺寸，比人类头发的厚度还小10000倍。值得注意的是，在该实验中，钻石只有纳秒的时间可以生长，所以它们还很微小（仅几微克），在形成之后还要收集起来。而如果在行星上，它们就会在数百万年内变得更大。

就目前的情况来看，这个实验中使用的方法还不能以接近实际工业工艺的水平生产出足够多的纳米钻石。然而，Siegfried Glenzer指出，这项新技术比目前使用炸药生产工业纳米钻石的方法更清洁环保、更容易控制。此外，研究团队认为，他们采用这种工艺会比当下的方法更有效率。如果他们能设计出改变反应性的方法，就能改变钻石形成的速度，从而改变它们的大小。