重磅Nature：颠覆认知！常压下液态金属中生长钻石！

第一作者：Yan Gong

通讯作者：Da Luo, Won Kyung Seong, Rodney S. Ruoff

通讯单位：韩国蔚山科学技术院

论文速览

天然钻石是在地球上地幔的金属熔体中形成的，温度为900–1400摄氏度，压力为5–6 GPa。根据碳的相图，金刚石在高压和高温条件下是热力学稳定的。

1955年，通用电气公司的科学家发明并使用了一种高压高温设备，在大约7 GPa和1600℃的温度下用熔融硫化铁合成金刚石。现有的模型认为，只有在高压和高温下才能用液态金属生长金刚石。

本研究中，在1个大气压和1025°C的条件下，使用液态金属而非高压高温的传统方法，成功生长出金刚石晶体和多晶金刚石薄膜。这一过程通过催化甲烷和碳原子在液态金属亚表面的扩散实现。

液态金属表面下碳的过饱和导致金刚石的成核和生长，硅在稳定参与成核的四价碳团簇中起重要作用，这些碳团簇对成核至关重要。这种在适中温度和1个大气压下生长的金刚石，为基础科学研究和这种生长类型的规模化开辟了多种可能性。

图文导读

图1：展示了实验设置示意图、石墨坩埚、在液态金属表面生长的金刚石晶体的扫描电镜（SEM）图像，以及生长不同时间后的金刚石薄膜的光学图像和原子力显微镜（AFM）图像。说明了在液态金属表面合成金刚石的过程和生长时间对金刚石薄膜形态的影响。

图2：通过¹³C标记的生长金刚石的拉曼光谱和光致发光（PL）图谱，不同生长配置下金刚石和石墨的特征拉曼带和光致发光峰，以及金刚石薄膜的碳同位素标记结果。

图3：透射电镜（TEM）图像和能量色散X射线光谱（TEM-EDS）线扫描分析，揭示了生长金刚石薄膜的截面结构和元素分布，以及液态金属与金刚石界面的详细结构。

总结展望

本研究在1个大气压和适中温度条件下，利用液态金属合金生长出金刚石，这一发现打破了以往认为只能在高压高温下生长钻石的传统观念。

通过实验和理论计算，研究团队揭示了硅在金刚石成核中的作用，以及碳在液态金属中的溶解和扩散机制。该方法不仅为合成金刚石提供了一种新的途径，而且为进一步的基础科学研究和工业应用开辟了新的可能性。

研究还指出，通过简单的改进，如使用更大的表面或界面、配置加热元件以实现更大的生长区域，以及采用新的方式将碳分布到金刚石生长区域，有望实现大面积金刚石的生长。

文献信息

标题：Growth of diamond in liquid metal at 1 atm pressure

期刊：Nature

DOI：10.1038/s41586-024-07339-7