碳是一種特別的元素，因為它的原子之間可以由不同的鍵連接，形成不同的結構。例如，如果碳原子完全由「sp²」鍵連接，就可以形成石墨；而如果完全由「sp³」鍵連接，則會形成金剛石（鑽石）。
現有模型認為，只有在高溫高壓（HPHT）下，溶解在液態金屬中的碳才能形成金剛石。現在，在一項新發表於《自然》雜誌的研究中，一組科學家在1個大氣壓和1025℃的條件下，成功製造出了金剛石。
高溫高壓
金剛石被認為是最堅硬的材料，它具有最高的原子密度和熱導率。在地球上，自然金剛石是在900~1400℃的溫度下和5~6GPa（1GPa≈9869個大氣壓）的壓強下，於地幔的金屬熔體中形成的。
1955年，人們首次通過高溫高壓法制成了合成金剛石。自那之後，高溫高壓法得到了進一步發展。目前，每年幾乎99%的人造金剛石都是通過這個方法合成的。
在5~6 GPa的壓強和1300~1600°C的溫度下，溶解在液態金屬中的碳，會形成所謂的種子金剛石晶體。這些種子金剛石晶體經過5~12天，會長成約1立方厘米大的單晶金剛石。事實上，利用這種方法合成的單晶金剛石，大小總是侷限在釐米級。因此，許多科學家一直在探索，是否有可能在更低溫、更低壓的條件下產生人造金剛石。
底部的彩虹
在新的研究中，研究人員使用由鎵（Ga，77.75%）、鐵（Fe，11%）、鎳（Ni，11%）、矽（Si，0.25%）的液態金屬合金來製作金剛石。在實驗中，他們使用了一個自制的冷壁真空系統，這個系統可以快速地加熱和冷卻金屬。在壓強為1個大氣壓和溫度約為1025°C的條件下，研究人員將這種液態金屬暴露在甲烷和氫氣中。
有一天，研究人員在取出固化的液態金屬時，注意到在凝固的Ga-Fe-Ni-Si合金的底部表面出現了「彩虹」。他們發現，這種「彩虹」是由金剛石導致的！
在高解析度透射電子顯微鏡（TEM）下，他們觀測到，在這些金剛石的初始形成過程中，並不需要通常所需的高溫高壓或其他種子顆粒。一旦形成，這些金剛石顆粒就會併合形成膜。
凝固後的液態金屬中約有30~40奈米厚的非晶態亞表面區域與金剛石直接接觸。在這個無定形區域的表面之上，大約有27%的原子是碳原子，碳濃度會隨深度的增加而降低。
在富含鎵的金屬合金中發現如此高濃度的溶解的碳令研究人員感到意外，因為過去的研究表明，碳並不溶於鎵。這也許可以解釋為什麼這個區域是無定形的，而凝固的液態金屬的所有其他區域都是晶體結構的。這一區域正是金剛石成核與生長的位置，因此研究人員將目光聚焦在了這片區域。
研究人員將Ga-Fe-Ni-Si液態金屬短時間暴露在甲烷和氫氣中，試圖了解它的初期生長階段，也就是在連續形成金剛石膜之前的階段。然後，他們深度分析了這個區域的碳濃度。他們觀察到：在10分鐘後，並沒有出現明顯的金剛石顆粒，但在金剛石通常生長的區域有約65%的碳原子存在；15分鐘後，金剛石顆粒開始出現，碳原子濃度約為27%。
研究人員解釋道，在10分鐘左右，碳原子濃度是非常高的，這是接近或處於過飽和的狀態，它使得金剛石在10分鐘或10~15分鐘之間的某個時間開始成核。成核之後，金剛石顆粒開始迅速生長。
研究人員還發現，矽在這種新的金剛石生長中起著至關重要的作用。合金中矽的濃度越高，金剛石的尺寸越小、密度越高。但如果沒有矽，金剛石根本無法生長，這表明矽可能參與了金剛石的初始成核。
光明前景
在這種液態金屬中發現金剛石的成核與生長是令研究人員欣喜的，它為進一步的基礎科學研究和擴大金剛石的增長開闢了許多新的可能性。
研究小組表示，這種新的金剛石的生長方法為液態金屬的組成提供了顯著的靈活性。雖然這一結果是通過使用鎵、鎳、鐵、矽液體合金實現的，但他們發現通過用鈷代替鎳或用鎵銦混合物代替鎵，也能產生高質量的金剛石。
研究人員認為，基於這項發現，世界各地的從事相關研究的科學家或將很快能衍生出其他相關的方法和實驗設備，進而帶來更多有趣的新突破。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=24718&pageIndex=1&searchCnd=&searchWrd=
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https://www.nature.com/articles/s41586-024-07339-7
#圖片來源：
封面圖&首圖：Akhilesh Sharma / Unsplash