- 研究人员利用激光将塑料转化为纳米钻石，并成功捕获晶体。
- 纳米钻石能在极端条件下存活，并安全返回普通环境。
- 较小的纳米钻石可扩大在医学和材料方面的应用。
- 研究人员计划进行更高压力下的实验以制造 BC8 碳。
德国的研究人员利用强大的激光将普通塑料转化为微小的钻石，并成功捕获了完整的晶体。来自德累斯顿-罗森多夫霍尔默茨中心（HZDR）和罗斯托克大学的团队显示，这些纳米钻石能够在极端的压力和温度条件下存活，并安全返回到普通环境中。每个回收的颗粒平均为 3 纳米，即三十亿分之一米，并大约包含 3,000 个碳原子。这种激光方法能够产生高纯度、小尺寸和颗粒大小紧密匹配的产品，这是传统生产方法（包括爆炸）所无法达到的。
模拟极端环境条件
该项工作的开始是模拟海王星和天王星内部的条件，这些地方的温度可达数千摄氏度，压力是地球大气压的数百万倍。激光照射塑料创造了碳形成钻石的条件，尽管团队最初只能短暂检测到这些晶体。HZDR 高能量密度物理学新研究所的 Dominik Kraus 表示，团队预期会形成纳米钻石，但其形成速度令他们感到惊讶。
该团队在位于布拉格南部的极端光基设施（ELI）回收了这些钻石，这是一种激光设施，结合了非常高的脉冲能量和高重复率。在其 L4n-P3 站点，激光每分钟发射三次，针对 0.004 英寸（100 微米）厚的 PET 塑料薄膜。每次脉冲都通过薄膜发送了一个冲击波，压缩塑料，形成纳米钻石，并将其推出至收集气缸。在回收实验中，塑料被冲击压缩至约 100 吉帕（gigapascals）的压力，约合 1450 万磅每平方英寸。
当压缩波从样本中进入真空时，它使钻石的速度超过 22,000 英里每小时（10 公里每秒），相当于陨石撞击。捕获它们的完整性需要非常柔软的介质，因此团队使用了一种在真空中有效的水溶性离子凝胶。每次激光击发大约产生 10 兆颗钻石，但收集几百微克的样本需要大约 100 次击发。这足以利用罗斯托克大学的 ELMI-MV 电子显微镜对颗粒进行特征分析，该显微镜能够解析单个原子。
HZDR 的主要作者 Ben Heuser 表示，直接看到纯化钻石的那一刻是“我们多年努力的特别时刻”。
纳米钻石的应用前景
纳米钻石坚硬、稳定且耐热，已经在磨削和抛光剂中使用。更小、更干净且尺寸一致的颗粒可能扩大其在医学、材料和能源方面的应用，包括量子传感器和扫描对比剂。较小的钻石在相同材料量下提供更大的总表面积，这可能提高其在如用阳光分解二氧化碳等过程中的催化效率。从塑料开始也使得为钻石掺杂其他元素变得更容易，从而为改善 MRI 对比剂等任务量身定制。
接下来的目标是 BC8 碳。来自核聚变研究的更高能效激光可以更频繁地发射强脉冲，这使得该过程具备可扩展性。研究人员的目标是达到毫克范围，这与传统生产相当。该团队还希望利用激光压缩制造 BC8，这是一种至今仅在理论上预测的碳形式。预计其密度将高于钻石、同样坚硬且不易脆裂。形成 BC8 需要的条件在地球上并不存在，因此研究人员计划在 11 月进行首次在更高压力下的实验。
项目 规格 纳米钻石平均尺寸 3 纳米 碳原子数量 约 3,000 颗 塑料薄膜厚度 0.004 英寸 (100 微米) 压缩压力 约 100 吉帕 钻石速度 超过 22,000 英里每小时 (10 公里每秒)
激光技术转化塑料的潜力
这项研究显示了激光技术在材料科学中的潜力，特别是在将废弃塑料转化为有价值的纳米钻石方面。纳米钻石不仅具备优良的物理特性，还能在多个领域中应用，例如医学和能源。随着技术的不断进步，未来可能会出现更高效的生产方法，这将对环境保护和资源回收产生积极影响。研究团队的下一步目标是探索更高密度的碳形式，这将进一步推动纳米材料的应用和发展。