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小电场在金刚石的形成中起决定性作用

钻石像石墨一样,是碳的一种特殊形式。它的立方晶体结构和牢固的化学键赋予其独特的硬度。几千年来,它既是一种工具,又是一种美丽的事物,一直受到人们的追捧。直到1950年代,才有可能首次人工生产钻石。

大多数天然钻石在至少150公里深的地幔中形成,那里的温度超过1500摄氏度,压力高达数千兆帕,这是充气良好的自行车轮胎的1万倍以上。负责其形成的确切机制有不同的理论。起始材料是富含碳酸盐的熔体,即富含氧和碳的镁,钙或硅的化合物。

钻石形成的新途径

由于电化学过程发生在地球的地幔中,并且那里存在的熔体和液体具有很高的电导率,因此,由俄罗斯科学院VS Sobolev地质与矿物学研究所VS Yubo Palyanov领导的研究人员开发了一种新的方法。钻石形成的模型,其中高度局部化的电场起着核心作用。根据此概念,施加甚至不到一伏的电压(该电压低于大多数家用电池提供的电压)将提供触发化学转化过程的电子。这些可利用的电子使碳酸盐中的某些碳氧化合物变成CO 2成为可能 通过一系列化学反应,最终形成钻石形式的纯碳。

为了检验他们的理论,俄罗斯研究团队开发了一套先进的实验设备:一个毫米大小的铂金胶囊被加热系统围绕,该加热系统又被放置在产生高达7.5吉帕斯卡的巨大压力的高压设备中。精心构造的微小电极通入胶囊,该胶囊已充满碳酸盐或碳酸盐-硅酸盐粉末。在1300至1600°C的温度下进行了许多实验,其中一些实验持续了长达40个小时。

钻石只随电压增长

正如所预测的那样,在新西伯利亚进行的实验表明,在几个小时的过程中,小金刚石在负极附近生长,但这仅在施加小电压时才会发生。半伏就足够了。直径最大达到200微米,即五分之一毫米,新产生的晶体比典型的沙粒小。此外,正如预期的那样,在较低压力下进行的实验中发现形成了其他纯碳矿物石墨。当研究人员逆转电压极性时,就进一步证实了这种新机制,即钻石恰好在预期的情况下在另一个电极上生长。没有从胶囊外部补充任何电压,既没有形成石墨也没有形成金刚石。在钻石附近,

GFZ SIMS实验室负责人Michael Wiedenbeck说:“新西伯利亚的实验设施绝对令人印象深刻。” GFZ是波茨坦模块化地球科学基础设施(MESI)的一部分。他已经与俄罗斯研究人员合作了十多年。他与SIMS实验室工程师FrédéricCouffignal一起分析了其俄罗斯同事生产的钻石。为了确定尤里·帕里亚诺夫(Yuri Palyanov)关于钻石形成的理论是否完全正确,必须非常精确地表征钻石的同位素组成。

精度分析“波茨坦制造”

波茨坦的研究人员使用了二次离子质谱(SIMS)。波茨坦仪器是一种高度专业化的质谱仪,可为来自世界各地的地球科学家提供来自极少量样品的高精度数据。Wiedenbeck说:“借助这项技术,我们可以非常精确地确定亚毫米样品上微小区域的组成。” 因此,需要使用非常精确的目标离子束去除实验室生产的钻石不到十分之一克的重量。然后将带电的原子注入六米长的设备中,该设备根据其各自的质量将数十亿个粒子分开。该技术可以分离化学元素,特别是可以区分它们的较轻或较重的同位素形式。” 通过这种方式,我们已经表明,碳同位素13C与12C之间的比率完全符合我们在新西伯利亚的同事开发的模型。有了这个,我们就可以为难题的最后一部分做出贡献,可以用来证实这一理论。”但是,必须指出的是,这种新方法并不适合大规模生产大型人造钻石。

Yuri Polyanov总结道:“我们的结果清楚地表明,电场应被视为影响钻石结晶的重要附加因素。这一发现对于理解全球碳循环中碳同位素比的变化可能具有非常重要的意义。

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