碳是宇宙中最豐富的元素之一，它可以形成各種各樣的結(jié)構(gòu)，其中相對(duì)為人所知的包括石墨，還有鉆石，也就是金剛石。

當(dāng)然，大家都知道，金剛石是最堅(jiān)硬的天然材料。"褶皺金剛石" 這個(gè)詞聽(tīng)起來(lái)似乎就不太合理，但這正是一組研究團(tuán)隊(duì)在罕見(jiàn)的橄輝無(wú)球粒隕石中發(fā)現(xiàn)的。

這些隕石可能來(lái)自一顆矮行星或者一顆非常大的小行星的星幔，這個(gè)天體應(yīng)該是在 45.6 億年前的一次巨大碰撞中被摧毀了，而一些碎片最終降落在了非洲西北部。在這些太空巖石的內(nèi)部，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了具有獨(dú)特的褶皺圖案的分層金剛石。論文已發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

一種新的分析技術(shù)

對(duì)于這些結(jié)構(gòu)奇特的堅(jiān)硬物質(zhì)，最顯而易見(jiàn)的問(wèn)題便是，在地球上（或者在太空中）褶皺的金剛石是如何形成的？

更令人驚訝的或許還有，它們還并非 " 普通 " 金剛石，而是一種更不常見(jiàn)的 " 六邊形 " 金剛石，也就是碳原子排列成六方晶體的情況。這種形式的金剛石也被稱(chēng)為藍(lán)絲黛爾石。有預(yù)測(cè)認(rèn)為，藍(lán)絲黛爾石甚至比標(biāo)準(zhǔn)的立方體結(jié)構(gòu)的金剛石還要堅(jiān)硬。

金剛石與藍(lán)絲黛爾石的原子結(jié)構(gòu)示意圖。（圖／The Conversation）

在新研究中，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種電子顯微的新方法，來(lái)繪制隕石中金剛石、石墨和藍(lán)絲黛爾石的分布。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)，從繪圖來(lái)看，這些褶皺金剛石實(shí)際上可能是藍(lán)絲黛爾石后，又通過(guò)高分辨率透射電子顯微（TEM）的方法進(jìn)行了更詳細(xì)的研究。

金剛石與藍(lán)絲黛爾石的原子結(jié)構(gòu)示意圖。（圖／The Conversation）

研究找到了一些迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的藍(lán)絲黛爾微晶（微觀晶體），直徑約 1 微米。可以做個(gè)對(duì)比，過(guò)往發(fā)現(xiàn)的藍(lán)絲黛爾晶體通常只有納米級(jí)的大小。那些有趣的褶皺形狀是由多結(jié)晶藍(lán)絲黛爾石組成的，換句話(huà)說(shuō)，它們是由無(wú)數(shù)微小的晶體構(gòu)成的。

重建激變

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，藍(lán)絲黛爾石已經(jīng)部分轉(zhuǎn)化成了金剛石和石墨，這為我們提供了關(guān)于隕石中事件發(fā)生順序的線索。在澳大利亞同步加速器的后續(xù)研究證實(shí)了這一結(jié)果。

通過(guò)比較 18 個(gè)不同的橄輝無(wú)球粒隕石中的金剛石、石墨和藍(lán)絲黛爾石，研究人員拼湊出了一幅圖，開(kāi)始了解可能發(fā)生了什么，才會(huì)產(chǎn)生這些褶皺結(jié)構(gòu)。

在第一階段，石墨晶體在小行星的星幔深處出現(xiàn)褶皺，這要?dú)w功于高溫導(dǎo)致周?chē)钠渌V物生長(zhǎng)，將石墨晶體推到了一邊。

當(dāng)橄輝無(wú)球粒隕石母小行星被巨大的撞擊塊摧毀時(shí)，金剛石和藍(lán)絲黛爾石形成的時(shí)間和位置示意圖。（圖╱ PNAS, 2022）

第二階段發(fā)生在巨大的碰撞之后，這一災(zāi)難破壞了橄輝無(wú)球粒隕石的母小行星。隕石中的證據(jù)表明，破壞事件在發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生了豐富的流體和氣體的混合物。

隨后，這種混合物通過(guò)替換褶皺的石墨晶體，進(jìn)而形成了藍(lán)絲黛爾石，同時(shí)幾乎完美地保留了石墨那種復(fù)雜的紋理。換句話(huà)說(shuō)，實(shí)際上不可能讓藍(lán)絲黛爾石或金剛石發(fā)生褶皺，它其實(shí)是通過(guò)取代先前存在的形狀而形成的。

團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這是由激變后壓強(qiáng)和溫度立即下降時(shí)的熱流體混合物所驅(qū)動(dòng)的。接著，不久之后，隨著流體進(jìn)一步減壓并冷卻形成氣體混合物，金剛石和石墨部分取代了藍(lán)絲黛爾石。

來(lái)自自然的制造線索

這個(gè)過(guò)程與用于制造金剛石的過(guò)程相當(dāng)相似，也就是化學(xué)氣相沉積。這些制造出的人工金剛石在如今的工業(yè)中被廣泛使用，特別是被用于切割和研磨，因?yàn)榻饎偸浅?jiān)硬。

不同之處在于，藍(lán)絲黛爾石是在比通常用于生長(zhǎng)金剛石略高的壓強(qiáng)下，從超臨界流體而不是氣體中取代了成型的石墨。

因此，自然似乎已經(jīng)給了一些線索，告訴我們關(guān)于如何制造成型的超硬微型機(jī)器零件。如果我們能找到一種方法，復(fù)制在隕石中保留的過(guò)程，就可以通過(guò)用藍(lán)絲黛爾石取代預(yù)先成型的石墨，來(lái)制造這些機(jī)器部件。

作者把這項(xiàng)研研究稱(chēng)為 " 好奇心驅(qū)動(dòng)的科學(xué) "。他們相信，這產(chǎn)生了推動(dòng)創(chuàng)新的創(chuàng)造力。你永遠(yuǎn)不知道還能發(fā)現(xiàn)什么。