自然界最硬的物质,竟然也能形成褶皱

自然界最硬的物质,竟然也能形成褶皱自然界最硬的物质,竟然也能形成褶皱

碳是宇宙中最丰富的元素之一,它可以形成各种各样的结构,其中相对为人所知的包括石墨,还有钻石,也就是金刚石。

当然,大家都知道,金刚石是最坚硬的天然材料。“褶皱金刚石”这个词听起来似乎就不太合理,但这正是一组研究团队在罕见的橄辉无球粒陨石中发现的。

这些陨石可能来自一颗矮行星或者一颗非常大的小行星的星幔,这个天体应该是在45.6亿年前的一次巨大碰撞中被摧毁了,而一些碎片最终降落在了非洲西北部。在这些太空岩石的内部,科学家发现了具有独特的褶皱图案的分层金刚石。论文已发表在《美国国家科学院院刊》上。

一种新的分析技术

对于这些结构奇特的坚硬物质,最显而易见的问题便是,在地球上(或者在太空中)褶皱的金刚石是如何形成的?

更令人惊讶的或许还有,它们还并非“普通”金刚石,而是一种更不常见的“六边形”金刚石,也就是碳原子排列成六方晶体的情况。这种形式的金刚石也被称为蓝丝黛尔石。有预测认为,蓝丝黛尔石甚至比标准的立方体结构的金刚石还要坚硬。

自然界最硬的物质,竟然也能形成褶皱

金刚石与蓝丝黛尔石的原子结构示意图。(图/The Conversation)

在新研究中,团队开发了一种电子显微的新方法,来绘制陨石中金刚石、石墨和蓝丝黛尔石的分布。当他们发现,从绘图来看,这些褶皱金刚石实际上可能是蓝丝黛尔石后,又通过高分辨率透射电子显微(TEM)的方法进行了更详细的研究。

自然界最硬的物质,竟然也能形成褶皱

金刚石与蓝丝黛尔石的原子结构示意图。(图/The Conversation)

研究找到了一些迄今为止发现的最大的蓝丝黛尔微晶(微观晶体),直径约1微米。可以做个对比,过往发现的蓝丝黛尔晶体通常只有纳米级的大小。那些有趣的褶皱形状是由多结晶蓝丝黛尔石组成的,换句话说,它们是由无数微小的晶体构成的。

重建激变

团队还发现,蓝丝黛尔石已经部分转化成了金刚石和石墨,这为我们提供了关于陨石中事件发生顺序的线索。在澳大利亚同步加速器的后续研究证实了这一结果。

通过比较18个不同的橄辉无球粒陨石中的金刚石、石墨和蓝丝黛尔石,研究人员拼凑出了一幅图,开始了解可能发生了什么,才会产生这些褶皱结构。

在第一阶段,石墨晶体在小行星的星幔深处出现褶皱,这要归功于高温导致周围的其他矿物生长,将石墨晶体推到了一边。

自然界最硬的物质,竟然也能形成褶皱

当橄辉无球粒陨石母小行星被巨大的撞击块摧毁时,金刚石和蓝丝黛尔石形成的时间和位置示意图。(图╱PNAS)

第二阶段发生在巨大的碰撞之后,这一灾难破坏了橄辉无球粒陨石的母小行星。陨石中的证据表明,破坏事件在发展过程中产生了丰富的流体和气体的混合物。

随后,这种混合物通过替换褶皱的石墨晶体,进而形成了蓝丝黛尔石,同时几乎完美地保留了石墨那种复杂的纹理。换句话说,实际上不可能让蓝丝黛尔石或金刚石发生褶皱,它其实是通过取代先前存在的形状而形成的。

团队认为,这是由激变后压强和温度立即下降时的热流体混合物所驱动的。接着,不久之后,随着流体进一步减压并冷却形成气体混合物,金刚石和石墨部分取代了蓝丝黛尔石。

来自自然的制造线索

这个过程与用于制造金刚石的过程相当相似,也就是化学气相沉积。这些制造出的人工金刚石在如今的工业中被广泛使用,特别是被用于切割和研磨,因为金刚石非常坚硬。

不同之处在于,蓝丝黛尔石是在比通常用于生长金刚石略高的压强下,从超临界流体而不是气体中取代了成型的石墨。

因此,自然似乎已经给了一些线索,告诉我们关于如何制造成型的超硬微型机器零件。如果我们能找到一种方法,复制在陨石中保留的过程,就可以通过用蓝丝黛尔石取代预先成型的石墨,来制造这些机器部件。

作者把这项研研究称为“好奇心驱动的科学”。他们相信,这产生了推动创新的创造力。你永远不知道还能发现什么。


原文作者:Andrew Tomkins(莫纳什大学地质学家)

Alan Salek(RMIT大学博士研究员)

Dougal McCulloch(RMIT大学教授)

编译:Gaviota

参考来源:

/folded-diamond-has-been-discovered-in-a-rare-type-of-meteorite-how-is-this-possible-190134

/article/2337477-strange-hexagonal-diamonds-found-in-meteorite-from-another-planet/

封面图/首图:The Conversation

https://www.xianxiaba.com/kejitongxun/31854464.html

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