金刚石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等。但天然金刚石数量有限，成本高昂，因此人们研究人工合成金刚石。

如今行业内已形成以高温高压法，化学气相沉积法，激光诱导法为代表的人造金刚石的研究和生产体系。而爆炸就是最简单的高温高压法，利用炸药爆炸的冲击波产生的瞬间高温高压作用于石墨上，或干脆使TNT炸药中的碳粉来合成金刚石。

爆炸法与合成设备相对简单，但只能合成微纳米级别的金刚石粉末，而且形成的晶体大小参差不齐，需要额外的步骤来根据不同的技术对它们进行分类，一般只用于金刚石砂轮、聚晶金刚石等的原料用与机械加工、热管理领域。

爆炸法制备的金刚石微粉

但对于药物输送、传感器和量子计算机处理器等高端应用，这样的金刚石就不够用了，对这些技术来说，使用粒度大小一致的金刚石纳米颗粒非常关键。最近Hao Yan博士带领的团队在美国化学学会(ACS)报告了一种不需要炸药就能制造出超均匀纳米金刚石的方法。这项技术也可用于在其他晶体中添加有益的单原子缺陷。

报告中，Hao Yan称为了设计出一种更精确的方法来制造纳米钻石，其团队在北德克萨斯大学研究了自然生长的金刚石周围的化学物质，“我们意识到钻石在地幔中形成的地方含有大量的铁和铁碳化合物，包括碳化物和碳酸盐。”也就是说，当碳化铁与地壳和上地幔之间的氧化铁反应时，金刚石就会生长。

有了这个认知后，研究人员设计了一个化学过程来模拟地球表面下的岩石圈环境，他们使用大小均匀的碳化铁纳米颗粒作为金刚石的碳源，并让碳化铁像巧克力饼干的巧克力碎一样点缀在氧化铁基质中。

接着，研究人员 将碳前体“饼干面团”置于类似于形成天然钻石的高压、高温环境中，让化合物发生反应，最终产生了非常均匀的纳米金刚石。使用这种新方法生长的晶体粒度最小可达2纳米，粒度差异小于1纳米，不需要额外的后合成处理或净化步骤。

使用新工艺制备出的超均匀纳米金刚石（粒度：5纳米）

也可以制备出具有“缺陷美”的金刚石

制备出完美的晶体当然很不错，不过Yan同时也指出，当生长的材料存在缺陷时，比如金刚石结构中的空点，以及用氮、硅、镍或其他元素替换邻近的碳原子时，这些材料可能会更有用。因为非碳原子会使材料稍微上色，所以它们被称为“色中心”。只有一个颜色中心的纳米粒子非常受欢迎，因为它们可以安全地将信息存储在量子计算机和通信设备中。

要制备出具有缺陷的金刚石，传统工艺是使用一束高能原子（如氮或硅）来轰击金刚石，使这些元素被嵌入晶体结构中。然而，这种方法不能控制在一颗金刚石上添加多少色中心，需要后处理步骤才能得到具有单原子缺陷的晶体。而且根据研究人员的大量计算建模工作，当金刚石的直径缩小到2-3纳米时，这种原子束方法就不再适宜了。

不过有了新工艺，Yan构思出了一种新方法，即在他们的碳前体“面团”中，取代数千个碳中的一个。经过一次合成实验后，他估计现在可以制造出足够供两千台量子计算机使用的单色中心纳米钻石，不过在此使用前这些微小的晶体需要被适当地排列。

最后Yan说：“我们现在有了一个理想的平台来设计一种方法来制造单一颜色中心的纳米金刚石，这是一个大突破。但同时从更广泛的意义上说，这将是一个有趣的演示，关于如何在更大的结构中控制单个原子。”

来源：phys.org

粉体圈Coco编译

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