石墨變鑽石 納米級實驗意外驚喜

【大紀元記者王明編譯報道】正常條件下，石墨是碳原子最穩定的存在形式，石墨要轉換成鑽石，需施加地表大氣壓約15萬倍的壓力。美國國家加速器實驗室(SLAC)主導的研究團隊，新近發現一項納米級製程，能製造鑽石薄膜，可作為刀具、電子設備及電化學感應器的材料，深具工業應用的開發潛力。
據美國史丹福大學及美國SLAC網站日前報道，石墨烯(graphene)是由單原子厚的石墨構成，科學家將數層石墨烯結合金屬製支架，並將氫氣暴露在石墨烯最上層。出乎他們的意料之外，石墨烯表層掀起多米諾骨牌效應，原本是石墨材質，竟然轉變成類鑽石結構。
這項新近研究主要作者卡亞(Sarp Kaya)說：「我們提出了科學界首次實驗證據，證實氫氣可誘發石墨烯產生這種結構轉變。研究表明，在沒有加壓的條件下，成功的合成超薄的類鑽石薄膜，石墨烯加氫氣可能是未來新的研究取向。」

從鉛筆心變鑽石
石墨和鑽石都是由碳元素所構成，外觀全然不同，而兩者特性也天差地別。其次，石墨是碳原子排列在平面上的片材，片與片之間可輕易滑動。這種石墨結構十分柔軟，廣泛用在裝有石墨的產品之中。
另一方面，鑽石由各個面向十分牢固的碳原子鍵結在一塊。因此，鑽石的質地極為堅硬。除了機械強度極高，鑽石更具有電學、光學和化學方面的不凡特性，具有龐大的利用價值，可應用至許多工業領域。現在，科學家在納米級條件下，發現了替代性方式，使碳原子從結構柔軟的鉛筆心變鑽石。

多米諾骨牌效應
研究人員在實驗過程中，將鉑制支架上端加入最多達4層的石墨烯，然後在石墨烯最上層排入氫氣，並利用史丹福同步輻射光源的強大X射線照射，研究團隊確定了氫氣能影響石墨層狀結構的機制。石墨烯與氫氣的結合啟動了多米諾骨牌效應，由碳原子的表層結構變化傳遞至下層所有結構，導致原本平面狀的碳原子——石墨，轉變成類鑽石結構。
這項實驗的原始目的，是想了解氫氣改變石墨烯某些屬性的可能性，並將其應用在電子基本元件——電晶體之中。但科學家們卻發現，石墨與氫氣的結合，致使石墨和鉑片之間也形成了化學鍵。
事實證明，這些鍵結反應是產生多米諾骨牌效應的關鍵。卡亞解釋說：「為了使這個過程趨於穩定，鉑片需與最接近的碳原子層產生鍵結反應。鑽石薄膜的整體穩定性就取決於鉑片的鍵結作用。 」
科學家表示，未來的研究將探究只有數層的石墨烯氫化反應，讓此材料應用至所有材料科學的領域。值得留意的是，不同厚度的石墨烯與其它金屬薄板，是否也能形成類鑽石的薄膜。◇