圖中所示為金剛石納米顆粒（右）生長形成的大塊金剛石晶體（左）。數(shù)萬億的金剛石顆粒被附著在硅晶片的表面，然后將其放置在碳、氫等離子體（紫色）中，碳和氫是形成金剛石所必需的兩種元素。一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)系統(tǒng)中含有至少26個(gè)碳原子時(shí)，金剛石才開始真正的生長。 圖片來源： SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室

       天然金剛石是由來自地下深處的巨大壓力和溫度共同促進(jìn)而形成的。但人造金剛石卻可以通過形核長大，從一個(gè)微小的“種子”生長出一個(gè)大塊的金剛石晶體。就像云層中的微小粒子會(huì)慢慢的聚集長大，最終再融化成雨滴灑落大地。

近日，科學(xué)家們首次在原子水平上觀察到了金剛石的生長過程，并且得到了金剛石“種子”能夠出現(xiàn)快速生長的臨界尺寸值。

       本周發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》的研究結(jié)果顯示，原子的形核過程不僅會(huì)發(fā)生在金剛石中，而且在各種氣氛中、計(jì)算機(jī)芯片的硅晶體中，甚至在神經(jīng)系統(tǒng)的蛋白質(zhì)中也會(huì)發(fā)生。

       “原子的形核長大是材料科學(xué)中的一個(gè)基本原則，幾乎每本教科書中都有相關(guān)的理論和公式對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的描述，”來自斯坦福大學(xué)SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的Nicholas Melosh教授說，“例如從液態(tài)水到固態(tài)冰，它是我們描述從一個(gè)物相到另一個(gè)物相的方式。”

       但有趣的是，他說，“盡管這一理論已經(jīng)得到了材料學(xué)家的一致認(rèn)可，但卻從未通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，因?yàn)閮x器的限制，使得在原子級(jí)別上觀察晶體的生長過程是非常困難的?！?/p>

       事實(shí)上，科學(xué)家們?cè)缇椭?，形核?jīng)典理論往往高估了形核過程中所需的能量勢(shì)壘。因此，他們找到了一種將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，但直到現(xiàn)在，研究人員也只能在較大尺度上對(duì)其進(jìn)行觀察，而想要在原子尺度上研究形核過程依然存在很大的難度。

       為了在一個(gè)最小尺度上研究金剛石原子的形核機(jī)理， Melosh和他的團(tuán)隊(duì)把重點(diǎn)放在了金剛石最小的原子上。

       最新一輪的實(shí)驗(yàn)研究是由斯坦福大學(xué)博士后研究員Matthew Gebbie領(lǐng)導(dǎo)的。他對(duì)相界面一直有著較深的研究，所謂相界面，即一種物質(zhì)與另一種物質(zhì)的交界處，例如空氣和水之間的界限一樣。CVD（化學(xué)氣相沉積法）被廣泛用于工業(yè)和珠寶類金剛石的生產(chǎn)過程中，而事實(shí)證明，相界面對(duì)于化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)金剛石的過程是至關(guān)重要的。

       為了在實(shí)驗(yàn)室中用化學(xué)氣相沉積法來制備大塊金剛石晶體，該研究團(tuán)隊(duì)將無數(shù)微小的金剛石顆粒分散在硅晶片表面，并將其置于氫和碳的等離子體中（它們是形成鉆石所必需的兩種元素），高溫下的等離子體會(huì)使得電子從原子中剝離下來。

       Gebbie表示，這種等離子體可以溶解金剛石顆粒，也可以促使金剛石粒子的形核長大，兩者之間的競爭作用決定了其能否形成更大的金剛石晶體結(jié)構(gòu)。將碳原子融入固體中的方法有很多，但只有在最合適的條件下，我們才會(huì)得到閃閃發(fā)光的鉆石， 否則你最終得到的只不過是一些極其便宜的石墨，也就是我們平時(shí)見到的鉛筆芯而已。

       該研究使科學(xué)家們對(duì)金剛石的形核過程有了一個(gè)更精細(xì)的控制。因?yàn)樗鼈儗?shí)在是太微小了，所以盡管我們使用最先進(jìn)的電子顯微鏡也無法直接看到，但是我們卻可以根據(jù)所含碳原子的數(shù)量進(jìn)行精確排序，然后通過化學(xué)氣相沉積的方法將其附著在硅晶片的表面，進(jìn)而放置于等離子態(tài)氣氛中。

       雖然之前不乏有對(duì)金剛石形核的研究，但這卻是第一次用不同大小的金剛石粒子所做的測(cè)試。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)含有26個(gè)碳原子以上時(shí)，才會(huì)促進(jìn)金剛石晶體的生長。

       更重要的是，Gebbie表示，他們能夠直接測(cè)量出金剛石顆粒形核長大的能量勢(shì)壘，這無疑是具有里程碑意義的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。

       Gebbie補(bǔ)充說，“這是一項(xiàng)非?；A(chǔ)的研究，但最值得我們興奮的是，我們發(fā)現(xiàn)了一種可預(yù)測(cè)且非?？煽康?，制造金剛石納米材料的方法?，F(xiàn)在我們已經(jīng)得到了所需的基礎(chǔ)理論，接下來要做的便是找尋那些，能夠?qū)⑦@些金剛石納米材料切實(shí)投入應(yīng)用的方法?！?/p>