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木虫 (职业作家)

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[交流] 科学家成功在常温常压下制取金刚石已有3人参与

来自北卡罗莱纳州立大学的研究人员发现了固态碳的新相——Q-碳（Q-carbon），Q-碳与已知的石墨以及金刚石这两种相都不同。同时，他们也发展了一项利用Q-碳在室温以及环境大气压下制备金刚石相关结构的技术。
说来说去，“相”到底是啥意思呢？简而言之，“相”就是同种材料的不同形式，比如，石墨就是碳的一种固相，而金刚石则是另一种。
杰•纳拉杨（北卡罗莱纳州John C. Fan材料科学与工程的著名讲座教授、三份相关论文的首席作者）说道：
“我们现在创造了碳的第三种相，在自然界中，它可能只存在于某些行星的核内。”
这种Q-碳有一些不同寻常的特性。一方面是它具有铁磁性——这是其他碳的固态形式所没有的。另外，Q-碳比金刚石还要坚硬，并且即使暴露在低能量下也能够发光。纳拉杨说：
“Q-碳的强度以及低逸出功——它放出电子的能力——让它在用于开发新的电子显示技术方面显得潜力十足。”
Q-碳还被用于制造各种单晶金刚石物质。要想知道它究竟是如何摇身一变成了金刚石的，你可得先了解制备Q-碳的过程。
研究人员先从基底入手，例如蓝宝石、玻璃或者是一个塑料聚合物，然后用无定形的碳（不像石墨或是金刚石，是没有一个常规、定义良好的晶体结构的元素碳）去覆盖这个基底。之后它被一束持续大约200纳秒的单激光脉冲轰击，在这过程中，它的温度上升至4，000开尔文（相当于大约3,727摄氏度）再被迅速冷却。这个操作在一个大气压下进行——就如同我们周围环境空气的气压。
最后得到的结果是一个Q-碳薄膜，而且研究者们能够控制这个过程，使得这个薄膜的厚度在20纳米到500纳米之间。通过使用不同的基底以及改变激光脉冲的持续时间，研究者们也能够控制这个碳以多快的速率进行冷却。改变碳的冷却速率，就能够以Q-碳制备金刚石结构。
“我们可以制造金刚石纳米针或者显微操作针、纳米点或者大面积金刚石薄膜——它们能在药物输送、工业生产以及制备高温开关和电力电子设备上得到应用。”纳拉杨说道，“这些金刚石物品具有单晶结构，这让它们比多晶物质坚硬，并且它们都能够在室温以及环境大气压下被制造，并且我们基本上只是使用像是被用于激光眼部手术那种强度的激光。所以，这不仅让我们能够发展新的应用，而且这个过程本身还是相对廉价的。”
如果研究者们想要将更多的Q-碳转化为金刚石，他们可以简单地通过重复激光冷却过程来达到。
那么，奇怪的是，如果Q-碳比金刚石还要坚硬，为啥我们要费劲去把它转换为金刚石纳米点而不是干脆使用Q-碳纳米点呢？这是因为，我们还需要对这种新材料有更多的了解。
“我们可以制备Q-碳薄膜，并且我们正在不断了解这个新材料的性质，但是我们仍处于理解操纵过程的早期阶段。”纳拉杨说道，“我们已经对金刚石有了很好的了解，所以我们能够使用金刚石纳米点，但我们对怎么制作Q-碳纳米点以及显微操作针的了解还不够——这也是我们正在努力的方向。”
北卡罗莱纳州已经对Q-碳以及金刚石制备技术提出了两个临时专利。
这项工作在两篇论文上进行了描述，已于10月7日在《应用物理快报-材料》（APL Materials）上刊登。

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