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如何用花生酱造出钻石

2018年09月27日 奇闻轶事 暂无评论 阅读 42 次

丹·弗罗斯特(Dan Frost)时常在办公室里听到一声闷响,引得整个地板都在震动。这只说明一件事情:它的实验又爆炸了。等他来到楼下的实验室,肯定会发现同事们的脸上写满了震惊。

对于身在现场的人来说,那种感觉就像一颗小型炸弹爆炸了一样,他们目光中仍然充满了惊恐。“听起来很可怕,”他抱歉地说道,“但并不危险——保护措施很到位。”

不期而至的爆炸已经成为这份工作的一部分。作为德国拜伊罗特大学高压实验中心(Bayerisches Geoinstitut)的一名科学家,弗罗斯特试图模拟我们脚下数千公里的地幔环境。要完成这一实验,就需要使用人类已知的最高压力来击碎岩石;这也就难怪会时常发生意外了。

作为这项实验的一部分,弗罗斯特找到了一些令人惊奇的钻石制造方式——例如,原料包括二氧化碳,还有花生酱——没错,就是花生酱。

Image caption(图片来源:Science Photo Library)

与人类在太空探索领域取得的巨大进步相比,我们对脚下地层的了解实在是少得可怜。我们小学时就在地理课上学过,地球内部分为三层:地核、下地幔和上地幔、地壳。但它们的具体构成至今仍是个迷——这是人类知识的一大空白。 “如果想了解地球的形成机制,就需要知道构成地球的物质。”弗罗斯特解释道。很多地质学家都认为,地球与小行星带里的陨石都是由相同的物质构成的。问题在于,多数坠落在地球上的陨石中的硅元素含量都高于地壳。这些硅都到哪里去了?有一种可能是沉入到下地幔了。

为了回答这种问题,弗罗斯特尝试了两种压力机。第一台使用了一种强大的活塞以28万个大气压挤压少量晶体样本,同时在火炉中对其加热。这样就可以重现地表以下800或900公里(500至652英里)的下地幔顶层的环境,使晶体的原子重新排列成密集结构。

第二台压力机随后将刚刚形成的矿物质粉碎,模拟地球更深处的物质。它由两个微小的宝石级钻石组成,可以缓慢挤压晶体。“就像一对又高又细的高跟鞋后跟一样。”他说。最终的结果可以达到130万个大气压。当样本仍身处这台设备中时,他就会测量声波在晶体中的传导方式。通过将这一数据与穿过地球内部的地震波进行对比,便可了解这份样本是否接近地幔的成分。

碳汇

Image caption(图片来源:Science Photo Library)

他的发现令人有些意外:地幔中的硅元素含量似乎并不像陨石那么高。弗罗斯特表示,或许是因为这种元素沉降到更深的地方,到达了地核。

还有另一种可能:地球起初有一个比现在大得多的地壳,里面充满了硅元素,之后在陨石撞击的影响下逐渐减少。或者,我们可能需要重新思考地球形成之初的原始构成物质。

这个加压过程还创造了尖晶橄榄石,这是一种似乎能够保持水分的深蓝色镁铁硅酸盐。实验结果表明,地幔可能在地球深处隐藏着许多“海洋”。 这次实验或许还帮助我们进一步了解人类每天呼吸的空气——事实上,这正是弗罗斯特的钻石来源。他怀疑,一系列的地质作用可以将海洋中的二氧化碳排出,然后进入岩石,再下沉到地幔,并在那里转化成钻石。弗罗斯特表示,这种宝石的稳定性高于其他形式的碳,因此重新释放到大气中的概率更低。所以,布满钻石的地幔可能拖慢了地球变暖的速度,甚至有可能对生命进化形成了帮助。

他认为,整个过程的关键是铁。地幔中的高压环境将二氧化碳从岩石中挤压出来,然后压入富含铁的矿物质中,随后剥离其中的氧元素,将剩余的碳元素转化成钻石。这正是弗罗斯特使用压力机还原这一机制的过程中获得的发现——从本质上讲,他就是利用稀薄的空气来制造钻石的。

但这项发现恐怕无法为弗罗斯特创造巨额财富;这种钻石需要经过漫长的时间才能慢慢变大。“如果我想得到一颗直径两三毫米的钻石,那大概需要好几个星期的时间。”他说。但这并没有阻止他尝试使用其他原料制作钻石;在一家德国电视台的安排下,他希望利用富含碳元素的花生酱制造一些钻石。“大量的氢元素释放出来,破坏了实验。”他说,“但这都是它已经在转化成钻石之后发生的。”

地表互动

Image caption(图片来源:Getty Images)

在一篇更加严肃的论文中,拜伊罗特大学高压实验中心还希望了解能否制造出具有不同特性的钻石;例如,在钻石中掺入一些硼或许能制造出更为优质的半导体,不会在使用过程中发热——这是目前的电子产品中最浪费电的过程之一。 使用其他结构的碳——例如“碳纳米管”——作为原材料,或许还能制作出新型超硬钻石,硬度超过已知的所有材料。

但最重要的在于,弗罗斯特希望他的工作还能揭示出更多关于地球历史的秘密——甚至是其他地方的生命形成的秘密。“我们对地球的内部与地表相互作用的方式很感兴趣;这是地球形成过程中一个十分重要的环节。”他说,“如果要寻找其他适宜居住的星球,就必须充分考虑这些过程。”要完成这项至关重要的工作,必须要牺牲一点花生酱——还要忍受不时发生的爆炸。

请访问 BBC Future 阅读 英文原文

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