- 研究人員利用鐳射將塑料轉化為納米鑽石，並成功捕獲晶體。
- 納米鑽石能在極端條件下存活，並安全返回普通環境。
- 較小的納米鑽石可擴大在醫學和材料方面的應用。
- 研究人員計劃進行更高壓力下的實驗以製造 BC8 碳。
德國的研究人員利用強大的鐳射將普通塑料轉化為微小的鑽石，並成功捕獲了完整的晶體。來自德累斯頓-羅森多夫霍爾默茨中心（HZDR）和羅斯托克大學的團隊顯示，這些納米鑽石能夠在極端的壓力和溫度條件下存活，並安全返回到普通環境中。每個回收的顆粒平均為 3 奈米，即三十億分之一米，並大約包含 3,000 個碳原子。這種鐳射方法能夠產生高純度、小尺寸和顆粒大小緊密匹配的產品，這是傳統生產方法（包括爆炸）所無法達到的。
模擬極端環境條件
該項工作的開始是模擬海王星和天王星內部的條件，這些地方的溫度可達數千攝氏度，壓力是地球大氣壓的數百萬倍。鐳射照射塑料創造了碳形成鑽石的條件，儘管團隊最初只能短暫檢測到這些晶體。HZDR 高能量密度物理學新研究所的 Dominik Kraus 表示，團隊預期會形成納米鑽石，但其形成速度令他們感到驚訝。
該團隊在位於布拉格南部的極端光基礎設施（ELI）回收了這些鑽石，這是一個鐳射設施，結合了非常高的脈衝能量和高重複率。在其 L4n-P3 站點，鐳射每分鐘發射三次，針對 0.004 英寸（100 微米）厚的 PET 塑料薄膜。每次脈衝都通過薄膜發送了一個衝擊波，壓縮塑料，形成納米鑽石，並將其推出至收集氣缸。在回收實驗中，塑料被衝擊壓縮至約 100 吉帕（gigapascals）的壓力，約合 1450 萬磅每平方英寸。
當壓縮波從樣本中進入真空時，它使鑽石的速度超過 22,000 英里每小時（10 公里每秒），相當於隕石撞擊。捕獲它們的完整性需要非常柔軟的介質，因此團隊使用了一種在真空中有效的水溶性離子凝膠。每次鐳射擊發大約產生 10 兆顆鑽石，但收集幾百微克的樣本需要大約 100 次擊發。這足以利用羅斯托克大學的 ELMI-MV 電子顯微鏡對顆粒進行特徵分析，該顯微鏡能夠解析單個原子。
HZDR 的主要作者 Ben Heuser 表示，直接看到純化鑽石的那一刻是「我們多年來一直努力的特別時刻」。
納米鑽石的應用前景
納米鑽石堅硬、穩定且耐熱，已經在磨削和拋光劑中使用。更小、更乾淨且尺寸一致的顆粒可能擴大其在醫學、材料和能源方面的應用，包括量子傳感器和掃描對比劑。較小的鑽石在相同材料量下提供更大的總表面積，這可能提高其在如用陽光分解二氧化碳等過程中的催化效率。從塑料開始也使得為鑽石摻雜其他元素變得更容易，從而為改善 MRI 對比劑等任務量身定製。
接下來的目標是 BC8 碳。來自核聚變研究的更高能效鐳射可以更頻繁地發射強脈衝，這使得該過程具備可擴展性。研究人員的目標是達到毫克範圍，這與傳統生產相當。該團隊還希望利用鐳射壓縮製造 BC8，這是一種至今僅在理論上預測的碳形式。預計其密度將高於鑽石、同樣堅硬且不易脆裂。形成 BC8 需要的條件在地球上並不存在，因此研究人員計劃在 11 月進行首次在更高壓力下的實驗。
項目 規格 納米鑽石平均尺寸 3 奈米 碳原子數量 約 3,000 顆 塑料薄膜厚度 0.004 英寸 (100 微米) 壓縮壓力 約 100 吉帕 鑽石速度 超過 22,000 英里每小時 (10 公里每秒)
鐳射技術轉化塑料的潛力
這項研究顯示了鐳射技術在材料科學中的潛力，特別是在將廢棄塑料轉化為有價值的納米鑽石方面。納米鑽石不僅具備優良的物理特性，還能在多個領域中應用，例如醫學和能源。隨著技術的不斷進步，未來可能會出現更高效的生產方法，這將對環境保護和資源回收產生積極影響。研究團隊的下一步目標是探索更高密度的碳形式，這將進一步推動納米材料的應用和發展。