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鉆石哪里來？行星撞地球，當然這種做法肯定是得不償失。
人類大概已經(jīng)忘了地球被小行星撞擊時的恐懼了。想象一下，小行星以20倍于步槍子彈的速度撞向地球，撞擊的當量相當于數(shù)百萬噸的核彈爆炸，方圓千里化為灰燼，金屬粉塵彌漫天際。
也許，你能從行星撞擊之后居然會產(chǎn)生鉆石這件事找到些許安慰。
信不信由你，一個國際科學團隊發(fā)表了這個結(jié)果證實：來自撞擊產(chǎn)生的大量的熱和壓強將碳變成了鉆石。激光，X射線，行星撞地球，鉆石! 跟我一起來解秘。
我們都知道鉆石是碳元素的一種存在形式。說到碳，你腦海肯定浮現(xiàn)出一塊蓬松漆黑的煤。煤是非晶體形的碳，碳原子以雜亂無章的形式散布。整個物質(zhì)沒有規(guī)則一致的結(jié)構(gòu)。鉆石和煤是碳的同素異形體。
石墨是一層層正六邊形排列的碳原子平面結(jié)構(gòu)
石墨是另一種碳的同素異形體。碳原子在平面以正六邊形的方式整齊排列。石墨同一層平面的碳原子十分堅固穩(wěn)定，而不同單層石墨之間則會輕易發(fā)生滑動。
鉆石中的碳原子以立體的正四面體結(jié)構(gòu)排布
那么鉆石的結(jié)構(gòu)呢，碳原子以互相連接的四面體為晶格組成鉆石。鉆石為什么那么堅硬呢？一顆鉆石往往有數(shù)以億計的碳原子，所有的碳原子在三維空間里都形成穩(wěn)定的化學鍵，這些化學鍵很難被破壞。地球上天然的鉆石都是在地殼之中形成，地殼里特有的高溫高壓環(huán)境會促使碳原子以正四面體排列。
鉆石也有細微不同的結(jié)構(gòu)。其中一種叫做六方金剛石（又叫六方碳，藍絲黛爾石）以晶體分析學家藍絲黛爾為其命名。在2014年的一篇文章里提到過：它的不同之處在于，類似鉆石的四面體結(jié)構(gòu)以之字六邊形（不在一個水平面的六邊形）相互連接。六方金剛石在地球上不是天然存在的，它僅在隕石中被發(fā)現(xiàn)過。比如說代亞布羅峽谷隕石坑，是5萬年前一塊落在美國亞利桑那沙漠的鎳鐵隕石所致。
六方金剛石是一種鉆石，但是碳原子以一種不同于鉆石的四面體方式排列。
還有一種可能是隕石中的鉆石并不純凈，關(guān)于這個觀點一直眾說紛紜。
科學家們嘗試過在實驗室中制造出六方晶剛石，但都不太成功。直到他們們借助了激光的幫忙，這也我們今天的第二個關(guān)鍵詞。
科學家嘗試著用兩束高能激光轟擊石墨來制造六方金剛石。高達千兆焦耳的激光射向石墨，雖然只是短短10納秒的脈沖，也足夠石墨發(fā)生奇妙的變化了。
高能激光的沖擊產(chǎn)生一股強大的沖擊波。這股沖擊波有多強呢？坐穩(wěn)了，200萬倍的大氣壓強！這壓強足夠破壞碳原子之間的原子鍵然后使這些碳原子以四面體的方式重新排列了。
接下來就是證實這個結(jié)構(gòu)了。怎么做呢？用X射線晶體學。
那么就開始介紹今天第三個關(guān)鍵詞。相同的晶體都有完全一致的結(jié)構(gòu)。一束x射線通過晶體，光子發(fā)生衍射，既繞著晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生細小彎曲。如果這個時候在X射線發(fā)射端的另一面放上一個x射線檢測器，光子彎曲的方式都能被顯現(xiàn)出來。對于不同的晶體結(jié)構(gòu)，x射線檢測到的光子彎曲都是獨有的。所以它就像晶體的指紋一樣來幫助科學家決定晶體的種類。
科研人員在激光轟擊石墨樣品的同時開始x射線晶體學檢測，這有助于他們實時觀察激光轟擊過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化。你相信嗎，這些x射線以50飛秒的間隔連續(xù)發(fā)射。那是什么概念？10的負15次方秒，1毫秒的10億分之一。
科學家們竟然能夠如此輕松自如的操控微觀世界的物質(zhì)和能量。太驚人了。
總之，用x射線晶體學檢測激光轟擊的石墨樣品得到的結(jié)果是，六方金剛石被制造出來了！
一小塊（10克）代亞布羅峽谷隕石，橙色的斑點是鐵銹而不是六方金剛石。
除此之外，他們發(fā)現(xiàn)石墨在50萬倍的大氣壓下會變成鉆石，而在200萬倍的大氣壓下會變成六方金剛石。在小行星撞擊地球的過程中這種級別的壓強是很常見的。（比方說代亞布羅峽谷隕石坑里大概三五十米寬的大鐵塊）
在實驗室中重現(xiàn)行星撞擊地球的物理環(huán)境，并成功制造出鉆石具有很多重要意義，我們對行星撞擊了解的越多越好。六方金剛石的結(jié)構(gòu)使它比鉆石還要堅硬，有很多潛在的工業(yè)級應用。目前，實驗室使用的石墨原料只有人的頭發(fā)厚度的量，隨著研究的進一步推進，大規(guī)模工業(yè)合成六方金剛石或?qū)⒆兂涩F(xiàn)實。
科學技術(shù)總是讓我們興奮不已，我們從了解自然到模仿自然。偶爾造個閃閃發(fā)光的鉆石什么的，對吧。
翻譯：段鯨魚 DeepTech深科技編輯整理，轉(zhuǎn)載須授權(quán)
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