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世界上最硬人造金刚石是如何炼成的 精选

已有 13102 次阅读 2011-2-26 18:01 |个人分类:地球科学家及实验室|系统分类:科研笔记| 金刚石, HIME-DIA, NPD

世界上最硬人造金刚石是如何炼成的


        金刚石的合成,是一个非常具有吸引力的研究领域。2010年日本科学家合成了厘米级的超硬金刚石,这一成果具有里程碑意义。科学网也曾转载报道过《日本合成全球最硬金刚石 直径超1厘米》(http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2010/12/241833.shtm)。

        那么这一世界上最硬的厘米级的人造金刚石是如何炼成的呢?以下就对相关的问题进行浅陋的介绍。

        2003年日本爱媛大学Geodynamics Research Center(地球深部ダイナミクス研究センター,即地球深部动力学研究中心)超高压实验室入舩 徹男(Tetsuo Irifune,舩即是船)等(Irifune et al.,2003)在Nature上报道了毫米级的超硬金刚石的成功合成(图1a)。利用实验室的大体积压机ORANGE3000(图2),以99.9995%高纯度多晶石墨为起始材料,在2300-2500 ºC和12-25 GPa温压条件下,他们发现石墨在几分钟里就迅速转变成为透明无色的立方(cubic)金刚石;而在相对较低温条件下(1600-2200 ºC)则得到的是立方和六方(hexagonal)金刚石的混合物,以及少量被压缩的石墨,颜色较暗。随后对得到的金刚石进行硬度测试,发现其硬度与单晶金刚石相当,甚至更硬。这一成果的发现,极大地鼓舞了研究人员以及住友电器工业公司继续探索合成体积更大硬度更强的金刚石,他们制定了更加宏伟的计划和目标。


图1. Sintered polycrystalline diamond synthesized by direct conversion of graphite. Upper leftover, Optical microscopic image of a sample of the synthesized diamond (about 0.1 mm in diameter and 0.3 mm thick). Lower left, Transmission electron microscopy reveals that this diamond material consists of minute crystals that are 10–20 nm across. Lower right, Knoop hardness test resulted for nano-polycrystalline diamond.



图2. 爱媛大学Geodynamics Research Center超高压实验室的超高压设备ORANGE-3000(即UHP-3000)


         2008年爱媛大学Geodynamics Research Center申请“Global Center of Excellence(COE)Program” 计划成功,课题“Center for Advanced Experimental and Theoretical Deep Earth Mineralogy”获得了日本政府强大的经费支持。同时雄心勃勃的住友电气工业公司自从2003年与爱媛大学合作成功合成超硬金刚石以后,加大了对爱媛大学超高压实验金刚石合成研究的支持,依靠其强大的经济和技术支持,在爱媛大学超高压实验室“创石实验室”(SOSEKI LAB)于2009年3月底建立起更先进的大体积压机(Large Volume Press, LVP)——BOTCHAN-6000(世界最大的Kawai型的multianvil压机),旨在合成更大体积的金刚石“HIME-DIA(=nano-polycrystalline diamond, NPD)”。


图3. 爱媛大学Geodynamics Research Center超高压实验室SOSEKI LAB的超高压设备BOTCHAN-6000(图中仅可见上半部分,下半部分系统在地面以下,整个压机的高度大约为6m)

        BOTCHAN-6000压机投入使用以后,合成的超硬金刚石(HIME-DIA)体积不断“长大”。2009年9月,7mm(直径和长度)的金刚石成功合成。2010年1月8mm的金刚石成功合成。2010年9月1cm级的金刚石诞生了(图4)! 2011年1月厘米级的金刚石已经在实验室里被大批合成(图5)。目前世界上已经有多家企业单位以及研究机构正寻求合作和开发新一代的金刚石(HIME-DIA=NPD)产品,其价值无可限量!爱媛大学研究小组表示,充分挖掘BOTCHAN-6000的潜力,有望在不久就可以合成1.5cm级的HIME-DIA!(OMG ^_^)


图4. 不断“长大”的超硬金刚石HIME-DIA(=NPD)


        目前,住友电气工业公司和爱媛大学超高压实验室在金刚石合成研究方面的空前成功,极大地激发了研究人员和住友的信心,他们表示将不断挑战新的纪录!由于合成的HIME-DIA金刚石具有超硬的特性以及其他优越的物理性质,HIME-DIA的研发和推广利用,将极大地推动相关科学和工业运用。例如,Irifune研究小组利用新合成的HIME-DIA在6-8-2型multianvil压机中获得了125GPa的不可思议的压力(Kunimoto and Irifune,2010),突破了传统multianvil的压力极限(利用烧结金刚石做二级压砧,可以获得的最高压力为大约80-90GPa),这使得科学家们有可能在将来利用HIME-DIA在multianvil中开展中下地幔条件下的超高压实验。


图5. 大批新合成的HIME-DIA(=NPD)金刚石及其近照


相关释疑:

(1)HIME-DIA(=NPD)名称的来源

NPD是一个缩写,即nano-polycrystalline diamond,纳米多晶金刚石,这是HIME-DIA的成分。

DIA是指diamond,这个容易理解;HIME来源于日本四国岛爱媛县(爱媛大学)的名称“Ehime”(即“爱媛”的英文);另外“媛”(HIME)还有一种意思就是美女佳人,因为在爱媛大学金刚石合成计划之初有很多女生(学生)也参与了很多重要的工作,这也是对她们的纪念。因此,HIME-DIA应该称为“媛钻”(科学网报道称其为“媛石”,既不科学也不雅观)。

(2)相关超高压设备名称的来源

ORANGE-3000:爱媛大学超高压实验室拥有一系列的multianvil装置,ORANGE系列的包括1000,2000和3000三台。ORANGE名称首先来源于爱媛县最著名的特产——柑橘,ORANGE的另一个意思就是“Over the RANGE”(超越极限),以示科学家在超高压技术领域的挑战精神(the challenging spirit in high-pressure technology to overcome the limitations of
the pressure and temperature ranges in this type of apparatus.)

BOTCHAN-6000:BOTCHAN代表“Beyond observable Toughness and Conceivable Hardness of Artificial Nano-diamond”,BOTCHAN这一名称来自于日本爱媛县松山市著名作家夏目 漱石(他的头像曾被印在日元1000元纸币上,图6,7)的小说《少爷》(即botchan(young master))。合成金刚石的高压实验室也因此取名为“SOSEKI LAB”,“SOSEKI”在日语中的另外一个意思是创石(creation of gemstones),所以该实验室被称为“创石实验室”。


图6. 夏目 漱石(1867-1916)


图7. 原1000日元纸币上夏目漱石像


(相关图片来自爱媛大学Geodynamics Research Center及夏目漱石照片来自网络)

主要参考资料:

爱媛大学Geodynamics Research Center:http://www.ehime-u.ac.jp/~grc/

Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. and Sumiya, H., 2003. Materials: Ultrahard polycrystalline diamond
from graphite. Nature, 421(6923): 599-600.

入舩, 徹男, 2010. 新型大容量D-DIA装置とKMA装置による高圧地球物質科学の新しい展開. 高圧力の科学と技術, 20(2): 158-165.

T. Kunimoto and T. Irifune, Pressure generation to 125 GPa using a 6-8-2 type multianvil apparatus with nano-polycrystalline diamond anvils, J. Phys.ics: Conf. Ser., 215(1), doi: 10.1088/1742-6596/215/1/012190, 2010.



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