用 PET 塑料生產(chǎn)納米金剛石可能成為一種新的廢物利用方法。這同時(shí)暗示可能存在下鉆石雨的系外行星。

在距離地球超過 10 億英里的海王星和天王星冰巨星上，鉆石永遠(yuǎn)存在。這不是宇宙詩(shī)，而是一個(gè)合理的科學(xué)結(jié)論：我們知道，在行星表面下方數(shù)英里的極端壓力和高溫下，碳?xì)浠衔飼?huì)被壓成水晶般的金光閃閃，這是求婚者夢(mèng)寐以求的東西。但在遙遠(yuǎn)的海王星和天王星上，宇宙的鉆石制造過程有點(diǎn)奇怪。自 1970 年代以來(lái)，科學(xué)家們認(rèn)為鉆石實(shí)際上可能會(huì)像雨點(diǎn)般落向大部分泥濘行星的巖石核心——如果你愿意承認(rèn)的話，這就是一場(chǎng)鉆石雨。

2017 年，德國(guó)和加利福尼亞的研究人員找到了一種復(fù)制這些行星條件的方法，在實(shí)驗(yàn)室中使用聚苯乙烯(又名聚苯乙烯泡沫塑料)制造了稱為納米金剛石的微小鉆石。根據(jù)周五(應(yīng)指9月2號(hào))發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究，五年后他們又重新回來(lái)進(jìn)行類似嘗試，這次使用了一些好的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 。該研究不僅對(duì)我們對(duì)太空的理解具有重要意義，而且為利用在各種場(chǎng)合產(chǎn)生的廢塑料制造納米金剛石鋪平了道路。

那么，為什么我們要用與食品容器和水瓶等材料相同的塑料來(lái)制造鉆石呢？德國(guó)研究實(shí)驗(yàn)室 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 的科學(xué)家、該研究的主要作者Dominik Kraus在一封電子郵件中說，這是有充分理由的。

克勞斯和他的同事們最初嘗試用聚苯乙烯制造納米金剛石。這種材料含有與海王星和天王星上發(fā)現(xiàn)的相同的碳和氫元素。他們通過用直線加速器相干光源轟擊材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這是一種高能 X 射線激光器。該設(shè)備位于加利福尼亞州SLAC 國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)過程迅速將聚苯乙烯加熱到 5,000 開爾文并將其壓縮 150 吉帕，類似于在冰冷行星內(nèi)部約 6,000 英里處的環(huán)境條件。

雖然研究人員能夠通過激光的兩次快速擊打來(lái)制作微笑的金光閃閃的小東西，但他們后來(lái)意識(shí)到缺少一種重要的化學(xué)成分：氧。因此，他們轉(zhuǎn)向了 PET，它不僅具有良好的碳和氫比例，而且還具有很好的含氧比例，使其比聚苯乙烯更接近冰巨星的化學(xué)成分比例。

“這些條件下的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，建模極其困難。在與理論家討論這種情況時(shí)，'任何事情都可能發(fā)生'是一個(gè)典型的短語(yǔ)，”克勞斯說?！按_實(shí)，有一些預(yù)測(cè)表明氧氣的存在有助于[碳與氫分離]和鉆石的形成，但也有人認(rèn)為它可能是相反的?！?/p>

為了證實(shí)這些理論，克勞斯和他的同事拿了一塊 PET，讓它經(jīng)歷了與 2017 年相同的實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)，但還包括了一種叫做小角度 X 射線衍射的東西，以觀察鉆石生長(zhǎng)的速度和大小。

“我們發(fā)現(xiàn)氧氣的存在增強(qiáng)了鉆石的形成，而不是阻止它的形成，這使得這些行星內(nèi)部的‘鉆石雨’成為一種更可能的情況，”克勞斯說?！拔覀冞€看到，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，隨著壓力的增加和時(shí)間的推移，鉆石會(huì)變得更大。”

他們還能夠從一次 X 射線照射中擠出大量微小的鉆石，大約為幾十億個(gè)微晶(總重量為幾微克)。但克勞斯說，至少現(xiàn)在，對(duì)于應(yīng)用目的來(lái)說這是不夠的。化學(xué)催化劑等應(yīng)用至少需要幾毫克，用于檢測(cè)磁流的金剛石量子傳感器也是不夠的。然而，它最終可以擴(kuò)大規(guī)模以服務(wù)于這些目的，并成為邁向更高級(jí)的塑料回收方式的第一步。

“如果形成過程的工業(yè)規(guī)模化確實(shí)像上面討論的那樣有效，并且某些過程將需要非常大量的納米金剛石，例如催化光誘導(dǎo)的二氧化碳還原反應(yīng)有助于減少全球變暖，這確實(shí)可能成為一種潛在的方式回收大量的 PET，”克勞斯說。

雖然制作閃閃發(fā)光的微型小玩意很好，但重要的是不要忽視科學(xué)意圖：更好地了解我們冰冷的行星鄰居的極端環(huán)境條件如何導(dǎo)致真正的鉆石淋浴。為此，克勞斯和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們還發(fā)現(xiàn)了更多關(guān)于一種奇異水的證據(jù)，這種水首先被理論化，但后來(lái)在 2019 年被最終發(fā)現(xiàn)。

《紐約時(shí)報(bào)》 在 2018 年報(bào)道稱，它被稱為超離子水，就像固體和液體之間的奇怪混合物，被認(rèn)為充滿了海王星、天王星以及可能無(wú)數(shù)其他冰巨星和其他行星的地幔。它在地球上可能對(duì)我們沒有任何應(yīng)用，但它的存在可以解釋為什么一些天體具有特殊的磁場(chǎng)?？藙谒拐f，納米金剛石確實(shí)在冰巨星內(nèi)部形成的發(fā)現(xiàn)使得超離子水的條件更有可能出現(xiàn)。

“在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們還沒有看到與鉆石一起形成超離子水的直接證據(jù)，”克勞斯說?！暗俏覀兊膶?shí)驗(yàn)表明，碳正在與氫和氧分離，從而使純水區(qū)域在行星內(nèi)部形成。因此，通過使鉆石沉淀成為這些行星內(nèi)部更真實(shí)的場(chǎng)景，超級(jí)離子水的形成也變得更有可能?！?/p>

除了超離子水，克勞斯和他的同事們?cè)诩{米金剛石前沿還有更多的研究要做。他們正在尋找在幾分鐘內(nèi)制造大量微小寶石的方法，并使用更容易獲得但仍然是高能量的激光系統(tǒng)。他們甚至可能會(huì)嘗試加入氮等元素，看看這將如何影響納米金剛石的形狀。(氮在鉆石中很常見——大約 98% 的天然鉆石含有百萬(wàn)分之幾十到幾百的氮原子。)

或許有人讀到這篇文章之后，也想用舊水瓶做鉆石，以成為一個(gè)新版本的絕命毒師。我想說，把復(fù)雜的物理學(xué)留給專家。