@ 2015.12.02 , 18:00

科学家发现新碳相,常温下可以造钻石

北卡莱罗纳州立大学的研究人员们已经发现了一种名为Q-carbon的新碳相,它与人们已知的碳相石墨和金刚石不同。同时研究人员们还研发出了一种技术,能够在常温常压下利用Q-carbon做出与金刚石相关的结构。

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相(在物理学上有时也称作物态)是同一材料的不同形式。石墨是碳的固体形态之一,金刚石则是碳的另外一种固体形态。

北卡莱罗纳州立大学材料科学与工程方面杰出的客座教授Jay Narayan表示:“现在我们创造出了第三种固相碳。在自然界中我们唯一可能找到它的地方是某些星球的内核。”

Q-carbon拥有一些非凡的特性。比如它有磁性,这是其它固体形态的碳不具备的特性。Narayan说:“我们甚至都没想过它还有这个特性。”另外,Q-carbon比金刚石更坚固,当它接触到极低的能量时还会发光。

Narayan说:“Q-carbon的强度及其低功函数(把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量),使得它在研发新型电子显示技术方面具备极大前景。”

Q-carbon也能被用来创造一系列单晶金刚石物体。为了更好地理解这一点,让我们来看看Q-carbon的制作过程。

研究人员们先选择一种基质(比如蓝宝石、玻璃和工程塑料),接着他们给基质涂上一层非晶碳(这种碳元素不同于石墨和金刚石,它没有常规的、固定的晶体结构)。之后他们利用单束激光脉冲轰击非晶碳,持续时间约200纳秒。在此期间,非晶碳的温度会上升至4000开氏度(约3727摄氏度),之后它会快速冷却。该操作在常压条件下进行。

结果就是基质被涂上了一层Q-carbon,研究人员们利用这一过程制作出来的涂层厚度在20纳米至500纳米之间。

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研究人员们通过利用不同的基质并改变激光脉冲轰击非晶碳的时间,还能够控制碳冷却的速度。他们能通过改变碳冷却的速度在Q-carbon中创造金刚石结构。

Narayan说:“我们能够创造金刚石纳米针、微针和纳米点,当然还有大面积的金刚石涂层,这些在药物运输、工业生产过程以及创造高温开关和电力电子方面有极大应用。这些金刚石物体拥有一种单晶体结构,使得它们比多晶体材料更坚固。另外Q-carbon在常温常压下即可完成,因此它不仅有新的用途,制作它的过程也相对廉价。”

此外,如果研究人员们想要将更多的Q-carbon变成金刚石,他们只需简单地重复激光脉冲/冷却过程即可。

如果Q-carbon比金刚石更坚硬,为何还会有人想要制作金刚石纳米点而不是Q-carbon纳米点呢?因为我们对于这种新材料的了解依旧太少。

Narayan说:“我们能够制作Q-carbon涂层,我们也正在了解它的特性,但我们对它的了解依旧处于早期阶段。我们对金刚石非常了解,因此我们能制造金刚石纳米点。我们尚不清楚该如何制作Q-carbon纳米点和微针。这是我们正在研究的东西。”

北卡莱罗纳州立大学已经申请了Q-carbon和金刚石制作技术的专利。

本文译自 PHYS,由译者 肌肉桃 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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