金剛石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導、高絕緣、寬能隙、高的聲傳播速率以及良好的化學穩(wěn)定性等。但天然金剛石數(shù)量有限，成本高昂，因此人們研究人工合成金剛石。

如今行業(yè)內(nèi)已形成以高溫高壓法，化學氣相沉積法，激光誘導法為代表的人造金剛石的研究和生產(chǎn)體系。而爆炸就是最簡單的高溫高壓法，利用炸藥爆炸的沖擊波產(chǎn)生的瞬間高溫高壓作用于石墨上，或干脆使TNT炸藥中的碳粉來合成金剛石。

爆炸法與合成設備相對簡單，但只能合成微納米級別的金剛石粉末，而且形成的晶體大小參差不齊，需要額外的步驟來根據(jù)不同的技術(shù)對它們進行分類，一般只用于金剛石砂輪、聚晶金剛石等的原料用與機械加工、熱管理領(lǐng)域。

爆炸法制備的金剛石微粉

但對于藥物輸送、傳感器和量子計算機處理器等高端應用，這樣的金剛石就不夠用了，對這些技術(shù)來說，使用粒度大小一致的金剛石納米顆粒非常關(guān)鍵。最近Hao Yan博士帶領(lǐng)的團隊在美國化學學會(ACS)報告了一種不需要炸藥就能制造出超均勻納米金剛石的方法。這項技術(shù)也可用于在其他晶體中添加有益的單原子缺陷。

報告中，Hao Yan稱為了設計出一種更精確的方法來制造納米鉆石，其團隊在北德克薩斯大學研究了自然生長的金剛石周圍的化學物質(zhì)，“我們意識到鉆石在地幔中形成的地方含有大量的鐵和鐵碳化合物，包括碳化物和碳酸鹽。”也就是說，當碳化鐵與地殼和上地幔之間的氧化鐵反應時，金剛石就會生長。

有了這個認知后，研究人員設計了一個化學過程來模擬地球表面下的巖石圈環(huán)境，他們使用大小均勻的碳化鐵納米顆粒作為金剛石的碳源，并讓碳化鐵像巧克力餅干的巧克力碎一樣點綴在氧化鐵基質(zhì)中。

接著，研究人員 將碳前體“餅干面團”置于類似于形成天然鉆石的高壓、高溫環(huán)境中，讓化合物發(fā)生反應，最終產(chǎn)生了非常均勻的納米金剛石。使用這種新方法生長的晶體粒度最小可達2納米，粒度差異小于1納米，不需要額外的后合成處理或凈化步驟。

使用新工藝制備出的超均勻納米金剛石（粒度：5納米）

也可以制備出具有“缺陷美”的金剛石

制備出完美的晶體當然很不錯，不過Yan同時也指出，當生長的材料存在缺陷時，比如金剛石結(jié)構(gòu)中的空點，以及用氮、硅、鎳或其他元素替換鄰近的碳原子時，這些材料可能會更有用。因為非碳原子會使材料稍微上色，所以它們被稱為“色中心”。只有一個顏色中心的納米粒子非常受歡迎，因為它們可以安全地將信息存儲在量子計算機和通信設備中。

要制備出具有缺陷的金剛石，傳統(tǒng)工藝是使用一束高能原子（如氮或硅）來轟擊金剛石，使這些元素被嵌入晶體結(jié)構(gòu)中。然而，這種方法不能控制在一顆金剛石上添加多少色中心，需要后處理步驟才能得到具有單原子缺陷的晶體。而且根據(jù)研究人員的大量計算建模工作，當金剛石的直徑縮小到2-3納米時，這種原子束方法就不再適宜了。

不過有了新工藝，Yan構(gòu)思出了一種新方法，即在他們的碳前體“面團”中，取代數(shù)千個碳中的一個。經(jīng)過一次合成實驗后，他估計現(xiàn)在可以制造出足夠供兩千臺量子計算機使用的單色中心納米鉆石，不過在此使用前這些微小的晶體需要被適當?shù)嘏帕小?/span>

最后Yan說：“我們現(xiàn)在有了一個理想的平臺來設計一種方法來制造單一顏色中心的納米金剛石，這是一個大突破。但同時從更廣泛的意義上說，這將是一個有趣的演示，關(guān)于如何在更大的結(jié)構(gòu)中控制單個原子。”

來源：phys.org

粉體圈Coco編譯

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責任。