用塑料瓶制造纳米钻石

长三角G60激光联盟导读

像海王星和天王星这样的行星内部发生了什么?为了找到答案，HZDR、Rostock大学和法国École综合理工学院领导的一个国际研究小组进行了一项新颖的实验。他们向一层简单的PET塑料薄膜发射激光，并用强激光闪光研究发生了什么。其中一个结果是，研究人员能够证实他们之前的论点，即在我们太阳系外围的冰巨星内部确实会下钻石雨。另一个是，这种方法可以建立一种生产纳米钻石的新方法，这是高灵敏度量子传感器所需要的。该小组在《科学进展》杂志上发表了他们的发现。

在实验中，一个简单的PET塑料薄片被激光击中。强烈的激光照射到箔状材料样本上，将其短暂加热到6000摄氏度，从而产生一种冲击波，在几纳秒内将物质压缩到大气压力的数百万倍。科学家们能够确定微小的钻石，即所谓的纳米钻石，是在极端压力下形成的。来源：HZDR / Blaurock

海王星和天王星等冰巨星内部的条件非常极端：温度达到数千摄氏度，压力比地球大气中的压力大数百万倍。尽管如此，这样的状态可以在实验室中简单模拟：强大的激光闪光击中薄膜状材料样本，瞬间将其加热到6000摄氏度，并产生冲击波，将材料压缩几纳秒至大气压力的一百万倍。

HZDR的物理学家、Rostock大学教授Dominik Kraus解释说：“到目前为止，我们使用碳氢化合物薄膜进行这类实验。我们发现，这种极端的压力产生了微小的钻石，称为纳米钻石。”

在LCLS的MEC端站结合XRD、SAXS和VISAR的实验装置示意图。

然而，使用这些胶片，只能部分模拟行星内部，因为冰巨星不仅含有碳和氢，还含有大量的氧。在寻找合适的薄膜材料时，研究小组找到了一种日常物质：PET，一种用于制造普通塑料瓶的树脂。Kraus解释说：“PET在碳、氢和氧之间有很好的平衡，可以模拟冰行星的活动。”。

该团队在加利福尼亚州的SLAC国家加速器实验室进行了实验，该实验室是直线加速器相干光源（LCLS）的所在地，这是一种强大的基于加速器的X射线激光器。他们用它来分析强激光照射PET薄膜时发生的情况，同时采用两种测量方法：X射线衍射法来确定是否产生了纳米钻石，以及所谓的小角度散射法来观察钻石生长的速度和大小。

在不同延迟时间的LCLS上测定了100 μm PET的XRD和SAXS结果。

大帮手：氧气

“氧气的作用是加速碳和氢的分裂，从而促进纳米钻石的形成，”Dominik Kraus在报告结果时说。“这意味着碳原子可以更容易结合，形成钻石。”这进一步支持了一种假设，即在冰巨星内部确实会下钻石雨。这些发现可能不仅与天王星和海王星有关，还与我们星系中无数其他行星有关。虽然这样的冰巨星过去被认为是罕见的，但现在似乎很清楚，它们可能是太阳系以外最常见的行星形式。

研究小组还发现了另一种线索:在与钻石结合的过程中，应该会产生水——但是以一种不寻常的形式。Kraus说:“所谓的超离子水可能已经形成了。氧原子形成晶格，氢原子在晶格中自由运动。”

具有压缩历史的纳米颗粒的半径分布。

由于原子核是带电的，超离子水可以传导电流，从而帮助形成冰巨星的磁场。然而，在他们的实验中，研究小组还不能明确地证明在与钻石的混合物中存在超音速水。

纳米钻石精密加工设备

除了这些相当基础的知识之外，新的实验还为一项技术应用开辟了前景:纳米钻石的定制生产，这种材料已经被用于研磨剂和抛光剂中。在未来，它们将被用作高灵敏度的量子传感器、医学造影剂和高效反应加速器，例如用于分解二氧化碳。Kraus解释说:“到目前为止，这类钻石主要是通过引爆炸药来生产的。在激光闪光的帮助下，未来可以更清洁地制造它们。”

高性能激光器每秒向PET薄膜发射10次闪光，以十分之一秒的间隔照射PET薄膜。由此产生的纳米钻石会从胶片中射出，并落在一个装满水的收集槽中。在那里，它们被减速，然后可以过滤和有效地收获。

碳、氢、氧混合物的相图。

Dominik Kraus说，与炸药生产相比，这种方法的本质优势在于“纳米钻石可以根据尺寸定制切割，甚至可以掺杂其他原子。”。“X射线激光意味着我们有一个实验室工具，可以精确控制钻石的生长。”

来源：Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples recorded by small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo0617. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0617

长三角G60激光联盟陈长军原创作品！