如何用花生醬造出鑽石

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丹·弗羅斯特(Dan Frost)時常在辦公室裏聽到一聲悶響,引得整個地板都在震動。這只說明一件事情:它的實驗又爆炸了。等他來到樓下的實驗室,肯定會發現同事們的臉上寫滿了震驚。

對於身在現場的人來說,那種感覺就像一顆小型炸彈爆炸了一樣,他們目光中仍然充滿了驚恐。「聽起來很可怕,」他抱歉地說道,「但並不危險——保護措施很到位。」

不期而至的爆炸已經成為這份工作的一部分。作為德國拜伊羅特大學高壓實驗中心(Bayerisches Geoinstitut)的一名科學家,弗羅斯特試圖模擬我們腳下數千公里的地幔環境。要完成這一實驗,就需要使用人類已知的最高壓力來擊碎岩石;這也就難怪會時常發生意外了。

作為這項實驗的一部分,弗羅斯特找到了一些令人驚奇的鑽石製造方式——例如,原料包括二氧化碳,還有花生醬——沒錯,就是花生醬。

Image caption (圖片來源:Science Photo Library)

與人類在太空探索領域取得的巨大進步相比,我們對腳下地層的了解實在是少得可憐。我們小學時就在地理課上學過,地球內部分為三層:地核、下地幔和上地幔、地殼。但它們的具體構成至今仍是個迷——這是人類知識的一大空白。 「如果想了解地球的形成機制,就需要知道構成地球的物質。」弗羅斯特解釋道。很多地質學家都認為,地球與小行星帶裏的隕石都是由相同的物質構成的。問題在於,多數墜落在地球上的隕石中的硅元素含量都高於地殼。這些硅都到哪裏去了?有一種可能是沉入到下地幔了。

為了回答這種問題,弗羅斯特嘗試了兩種壓力機。第一台使用了一種強大的活塞以28萬個大氣壓擠壓少量晶體樣本,同時在火爐中對其加熱。這樣就可以重現地表以下800或900公里(500至652英里)的下地幔頂層的環境,使晶體的原子重新排列成密集結構。

第二台壓力機隨後將剛剛形成的礦物質粉碎,模擬地球更深處的物質。它由兩個微小的寶石級鑽石組成,可以緩慢擠壓晶體。「就像一對又高又細的高跟鞋後跟一樣。」他說。最終的結果可以達到130萬個大氣壓。當樣本仍身處這台設備中時,他就會測量聲波在晶體中的傳導方式。通過將這一數據與穿過地球內部的地震波進行對比,便可了解這份樣本是否接近地幔的成分。

碳匯

Image caption (圖片來源:Science Photo Library)

他的發現令人有些意外:地幔中的硅元素含量似乎並不像隕石那麼高。弗羅斯特表示,或許是因為這種元素沉降到更深的地方,到達了地核。

還有另一種可能:地球起初有一個比現在大得多的地殼,裏面充滿了硅元素,之後在隕石撞擊的影響下逐漸減少。或者,我們可能需要重新思考地球形成之初的原始構成物質。

這個加壓過程還創造了尖晶橄欖石,這是一種似乎能夠保持水分的深藍色鎂鐵硅酸鹽。實驗結果表明,地幔可能在地球深處隱藏著許多「海洋」。 這次實驗或許還幫助我們進一步了解人類每天呼吸的空氣——事實上,這正是弗羅斯特的鑽石來源。他懷疑,一系列的地質作用可以將海洋中的二氧化碳排出,然後進入岩石,再下沉到地幔,並在那裏轉化成鑽石。弗羅斯特表示,這種寶石的穩定性高於其他形式的碳,因此重新釋放到大氣中的概率更低。所以,布滿鑽石的地幔可能拖慢了地球變暖的速度,甚至有可能對生命進化形成了幫助。

他認為,整個過程的關鍵是鐵。地幔中的高壓環境將二氧化碳從岩石中擠壓出來,然後壓入富含鐵的礦物質中,隨後剝離其中的氧元素,將剩餘的碳元素轉化成鑽石。這正是弗羅斯特使用壓力機還原這一機制的過程中獲得的發現——從本質上講,他就是利用稀薄的空氣來製造鑽石的。

但這項發現恐怕無法為弗羅斯特創造巨額財富;這種鑽石需要經過漫長的時間才能慢慢變大。「如果我想得到一顆直徑兩三毫米的鑽石,那大概需要好幾個星期的時間。」他說。但這並沒有阻止他嘗試使用其他原料製作鑽石;在一家德國電視台的安排下,他希望利用富含碳元素的花生醬製造一些鑽石。「大量的氫元素釋放出來,破壞了實驗。」他說,「但這都是它已經在轉化成鑽石之後發生的。」

地表互動

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在一篇更加嚴肅的論文中,拜伊羅特大學高壓實驗中心還希望了解能否製造出具有不同特性的鑽石;例如,在鑽石中摻入一些硼或許能製造出更為優質的半導體,不會在使用過程中發熱——這是目前的電子產品中最浪費電的過程之一。 使用其他結構的碳——例如「碳納米管」——作為原材料,或許還能製作出新型超硬鑽石,硬度超過已知的所有材料。

但最重要的在於,弗羅斯特希望他的工作還能揭示出更多關於地球歷史的秘密——甚至是其他地方的生命形成的秘密。「我們對地球的內部與地表相互作用的方式很感興趣;這是地球形成過程中一個十分重要的環節。」他說,「如果要尋找其他適宜居住的星球,就必須充分考慮這些過程。」要完成這項至關重要的工作,必須要犧牲一點花生醬——還要忍受不時發生的爆炸。

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(責編:友義)

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