堅忍不拔的鑽石

在極高壓下,鑽石挺了過來!研究團隊對鑽石施加超過地球核心五倍的壓力,發現鑽石的結構依舊可以保持穩定存在。如果地核深處有著人類,「鑽石恆久遠,一顆永留存。」這句經典的廣告台詞,想必也能引起廣大的共鳴。

圖片來源:Pixabay

撰文/劉詠鯤

《自然》雜誌1/27日刊出的一篇論文中[1],研究團隊對鑽石施加約兩千萬倍大氣壓力(約是地核中心壓力的5倍),發現鑽石的物質結構依舊可以在極高壓環境下穩定存在。這個結果除了展現鑽石結構的穩定性,也可以幫助我們了解系外行星的內核構造。

當行星的體積愈大,其內核的壓力就隨之增加。例如:地球內核,壓力約為350萬大氣壓;體積較為龐大的木星,內核壓力則高達7000萬大氣壓。太陽系外被發現的超級地球(Super-Earth,質量大於地球但小於天王星的行星),壓力也可達到4000萬大氣壓。若是該行星主要由碳元素組成,便有可能形成所謂的「鑽石星球」。鑽石是碳元素的一種特殊排列方式,在地表(一大氣壓)的條件下,碳最穩定的排列方式是石墨。當施加足夠大的壓力時,鑽石的結構勝出。這也是為何在地球深處,碳元素較容易被發現以鑽石形式存在。

但是當壓力增大到超過地核可能出現的情況時,當前的理論預測存在其他數種更穩定的晶體結構。這時問題就來了,在這些「鑽石星球」中,碳元素是否就真的以鑽石形式布滿整個星球,還是其實在星球核心極端壓力的作用下,鑽石會逐漸被轉化為其他結構呢?

物理學家Amy Lazicki和她的同事們,利用國家點火設施(National Ignition Facility, NIF)中上百道極高能量的雷射,同時聚焦在鑽石樣品上。龐大的能量被轉化為壓縮波,於短時間(奈秒尺度)內施加千萬倍大氣壓於樣品上,並同時透過X光了解鑽石的結晶結構是否發生變化。

最後的分析結果顯示,鑽石在這種極端條件下依舊可以保持穩定結構。但是,理論不是告訴我們在這個條件下,鑽石並非最穩定的存在嗎?沒錯,所以準確來說,這個研究結果其實顯示的是:鑽石在這種條件下是「準穩態(亞穩態)」。

●到底穩不穩定?準穩態是什麼?

一個狀態是否穩定,可以透過考慮施加一個輕微的擾動,觀察此狀態在擾動後,是否可以回復原狀態。若是可以回復,則稱為穩定態。(此概念的說明可參考CASE文章:《上下顛倒玩具船》)。通常來說,一個系統內可能存在多個穩定態。讓我們想像如圖一的一個山坡:除了最底部的山谷(A點),在山腰處還有一個凹洞(B點)。若我們在其中各放一顆小球,施加輕微擾動,這兩顆球最終都還是會回到原位,所以可知這兩個地方都是穩定態。但是它們「穩定的程度」卻不相同,或者可以說「抵抗擾動能力」不一樣。當擾動程度逐漸增加,放在B點的小球,就有機會突破山壁(局部位能障礙),而最終進入A點的穩定態[1]。因此,如B點的狀態,我們稱其為「準穩態」,它雖然是穩定的,但若是外加條件改變過於劇烈時,也可能使其改變。

圖一、處於準穩態(B點)的小球,當受到外在擾動較輕微時可以維持在原本狀態;但若擾動劇烈,便可能脫離原狀態,進入能量更低處(A點)。

 

讓我們再重新描述一次不同外在條件下碳的結構變化:在常溫常壓下,碳最穩定的狀態是石墨。在這個條件下,石墨處於A點的最穩定態,鑽石則是B點的「亞穩態」。我們怎麼知道此時鑽石是亞穩態呢?這點可從日常生活經驗得知:若是鑽石在常溫常壓下是不穩定態,就可以發現珠寶店內的鑽石項鍊逐漸變成石墨了!當我們深入地球深處,隨著溫度及壓力提升,鑽石成為最穩定態,此時石墨無法穩定存在,會被逐漸轉化為鑽石。但當壓力增加到約一千萬倍大氣壓時,最穩定的狀態又換人當了。[2]然而,和前面的石墨不同,研究者們發現鑽石在這種情況下依舊可以穩定存在。[3]得益於其碳元素間穩定、強力的化學鍵,無論是在低壓或極高壓的情況,鑽石都能以準穩態的型式存在。

晶體型態千變萬化,漆黑的石墨與澄澈明亮的鑽石,只是由於碳元素不同的排列方式。對晶體穩定態的研究,除了可以讓我們對生活周遭的物體有更深的認識,也能將認知推往遙遠的地球之外:若是透過研究發現碳元素在極高壓下並無法以鑽石形式存在,或是根本無法以固體存在。那麼遙遠將來的鑽石星球「登陸」計畫,也許就要再好好三思了!

 

參考資料
[1]A.Lazicki et al., Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals, Nature, Vol 589, 28 January 2021.
[2]R. F. Smith et al., Ramp compression of diamond to five terapascals, Nature, Vol 511, 17 July 2014
[3] Diamond holds up at pressures more than five times those in Earth’s core

註解:
[1] 由於A點具有最低的能量,因此我們也稱它為「基態」。
[2] 以晶體結構的語言來說,鑽石為「面心立方堆積」。在極高壓下,存在一種「體心立方堆積」的碳元素排列方式,更加穩定。
[3] 此論文另一重要的貢獻在於,以往產生如此極高壓的方式,會將固體融化,造成研究固體穩定性難度大幅增加。此篇論文使用的方法可以在融化前,就將壓力波施加在固體上。

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