科學(xué)家們對(duì)鉆石很感興趣——不是用來(lái)裝飾珠寶的那種，而是比人類頭發(fā)還細(xì)的微小種類。這些所謂的“納米鉆石”幾乎完全由碳構(gòu)成。但是，通過(guò)將其他元素引入納米金剛石的晶格(一種被稱為“摻雜”的方法)，研究人員可以得到在醫(yī)學(xué)研究、計(jì)算等領(lǐng)域有用的特征。在2019年5月3日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上的一篇論文中，華盛頓大學(xué)(University of Washington)、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(U.S. Naval Research Laboratory)和太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory)的研究人員宣布：他們可以利用極高的壓力和溫度來(lái)?yè)诫s納米金剛石。

       研究小組用這種方法將納米金剛石與硅結(jié)合，使金剛石發(fā)出深紅色的光，這一特性將使它們對(duì)細(xì)胞和組織成像有用。研究小組發(fā)現(xiàn)，該方法還可以將納米金剛石與氬摻雜在一起。氬是一種稀有氣體，是一種與氣球中的氦有關(guān)的非反應(yīng)性元素。摻雜這種元素的納米金剛石可以應(yīng)用于量子信息科學(xué)——一個(gè)迅速擴(kuò)展的領(lǐng)域，包括量子通信和量子計(jì)算。華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授、太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員Peter Pauzauskie說(shuō)：該方法通過(guò)仔細(xì)選擇合成過(guò)程中使用的分子起始材料，有意地在金剛石納米晶體中摻雜其他元素。

       鉆石砧細(xì)胞的側(cè)視圖，用于在靠近細(xì)胞中心的兩個(gè)人造鉆石之間產(chǎn)生超過(guò)15吉帕壓力。圖片：Mark Stone/University of Washington摻雜納米金剛石的方法還有離子注入等，但這一過(guò)程往往破壞晶體結(jié)構(gòu)，引入的元素被隨意放置，限制了性能和應(yīng)用。在這里，研究人員決定在納米金剛石合成后不進(jìn)行摻雜。相反在分子成分中摻雜他們想要引入的元素來(lái)制造納米金剛石，然后使用高溫和高壓來(lái)合成含有這些元素的納米金剛石。從原理上講，這就像做蛋糕一樣：在面糊中添加糖比在烘焙后添加糖要簡(jiǎn)單得多，也更有效。研究小組研究納米金剛石的出發(fā)點(diǎn)是一種富含碳的材料（類似于木炭，保羅斯基說(shuō)）研究人員將這種材料紡成一種輕質(zhì)多孔基質(zhì)，稱為氣凝膠。

       然后在碳?xì)饽z中摻雜了一種叫做正硅酸四乙酯的含硅分子，這種分子被化學(xué)地整合在碳?xì)饽z中。研究人員將這些反應(yīng)物密封在一個(gè)金剛石砧細(xì)胞的墊圈內(nèi)，這樣可以在墊圈內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)15千兆帕的壓力。作為參考，1gigapascal大約是10000個(gè)大氣壓，或者是海洋最深處壓力的10倍。為了防止氣凝膠在如此極端的壓力下被壓碎，使用氬氣作為壓力介質(zhì)。在將材料加載到高壓下后，研究人員用激光將電池加熱到3100華氏度以上，超過(guò)太陽(yáng)表面溫度的三分之一。

       在與華盛頓大學(xué)化學(xué)工程榮譽(yù)退休教授e·詹姆斯·戴維斯(E. James Davis)的合作中發(fā)現(xiàn)：在這種溫度下，固態(tài)氬熔化形成超臨界流體。通過(guò)這一過(guò)程，將碳?xì)饽z轉(zhuǎn)化為含有硅基摻雜分子形成發(fā)光點(diǎn)缺陷的納米金剛石。納米金剛石發(fā)出的深紅光波長(zhǎng)約為740納米，這在醫(yī)學(xué)成像中很有用，摻雜其他元素的納米金剛石可以發(fā)出其他顏色。可以在元素周期表上扔一個(gè)飛鏢，只要我們擊中的元素是溶于鉆石的，我們就可以用這種方法把它有意地合成納米鉆石，可以制造出光譜廣泛的納米金剛石，它們可以為成像目的發(fā)射不同的顏色。

       華盛頓大學(xué)博士后研究員Matthew Crane操作的設(shè)備使用激光加熱高壓鉆石砧細(xì)胞墊圈，使其溫度超過(guò)3100華氏度，超過(guò)太陽(yáng)表明溫度的三分之一。圖片：Mark Stone/University of Washington也可以利用這種分子摻雜方法，用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的摻雜原子制造出更復(fù)雜的點(diǎn)缺陷，包括以前從未產(chǎn)生過(guò)的全新缺陷。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)他們的納米金剛石還含有另外兩種他們不打算引入的元素——用作壓力介質(zhì)的氬和來(lái)自空氣中的氮。就像研究人員打算引入的硅一樣，氮原子和氬原子已經(jīng)完全融入到納米金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中。這標(biāo)志著科學(xué)家首次使用高溫高壓組裝技術(shù)將稀有氣體元素氬引入納米金剛石晶格結(jié)構(gòu)。要迫使無(wú)反應(yīng)的原子與化合物中的其他物質(zhì)結(jié)合是不容易的。

       這是一個(gè)意外，一個(gè)完全的驚喜，但氬被納入納米金剛石的事實(shí)意味著，這種方法有可能用于制造其他點(diǎn)缺陷，這些點(diǎn)缺陷有可能用于量子信息科學(xué)研究。研究人員希望在納米金剛石的旁邊故意摻雜另一種稀有氣體氙，以便在量子通信和量子傳感等領(lǐng)域得到應(yīng)用。研究小組的方法還可以幫助解決一個(gè)宇宙之謎：在外層空間發(fā)現(xiàn)了納米金剛石，而外層空間的某些物質(zhì)（如超新星或高能碰撞）會(huì)向它們注入惰性氣體。盡管保羅斯基和團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的方法是在地球上摻雜納米金剛石，但其發(fā)現(xiàn)可以幫助科學(xué)家了解哪些類型的外星事件觸發(fā)了遠(yuǎn)離地球的宇宙摻雜。