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科学家突破性地将塑料变成钻石

用 PET 塑料生产纳米金刚石可能成为一种新的废物利用方法。这同时暗示可能存在下钻石雨的系外行星。

在距离地球超过 10 亿英里的海王星和天王星冰巨星上，钻石永远存在。这不是宇宙诗，而是一个合理的科学结论：我们知道，在行星表面下方数英里的极端压力和高温下，碳氢化合物会被压成水晶般的金光闪闪，这是求婚者梦寐以求的东西。但在遥远的海王星和天王星上，宇宙的钻石制造过程有点奇怪。自 1970 年代以来，科学家们认为钻石实际上可能会像雨点般落向大部分泥泞行星的岩石核心——如果你愿意承认的话，这就是一场钻石雨。

2017 年，德国和加利福尼亚的研究人员找到了一种复制这些行星条件的方法，在实验室中使用聚苯乙烯(又名聚苯乙烯泡沫塑料)制造了称为纳米金刚石的微小钻石。根据周五(应指9月2号)发表在《科学进展》杂志上的一项研究，五年后他们又重新回来进行类似尝试，这次使用了一些好的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 。该研究不仅对我们对太空的理解具有重要意义，而且为利用在各种场合产生的废塑料制造纳米金刚石铺平了道路。

那么，为什么我们要用与食品容器和水瓶等材料相同的塑料来制造钻石呢？德国研究实验室 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 的科学家、该研究的主要作者Dominik Kraus在一封电子邮件中说，这是有充分理由的。

克劳斯和他的同事们最初尝试用聚苯乙烯制造纳米金刚石。这种材料含有与海王星和天王星上发现的相同的碳和氢元素。他们通过用直线加速器相干光源轰击材料来实现这一目标，这是一种高能 X 射线激光器。该设备位于加利福尼亚州SLAC 国家加速实验室。这个过程迅速将聚苯乙烯加热到 5,000 开尔文并将其压缩 150 吉帕，类似于在冰冷行星内部约 6,000 英里处的环境条件。

虽然研究人员能够通过激光的两次快速击打来制作微笑的金光闪闪的小东西，但他们后来意识到缺少一种重要的化学成分：氧。因此，他们转向了 PET，它不仅具有良好的碳和氢比例，而且还具有很好的含氧比例，使其比聚苯乙烯更接近冰巨星的化学成分比例。

“这些条件下的化学反应非常复杂，建模极其困难。在与理论家讨论这种情况时，'任何事情都可能发生'是一个典型的短语，”克劳斯说。“确实，有一些预测表明氧气的存在有助于[碳与氢分离]和钻石的形成，但也有人认为它可能是相反的。”

为了证实这些理论，克劳斯和他的同事拿了一块 PET，让它经历了与 2017 年相同的实验运动，但还包括了一种叫做小角度 X 射线衍射的东西，以观察钻石生长的速度和大小。

“我们发现氧气的存在增强了钻石的形成，而不是阻止它的形成，这使得这些行星内部的‘钻石雨’成为一种更可能的情况，”克劳斯说。“我们还看到，随着实验的进行，随着压力的增加和时间的推移，钻石会变得更大。”

他们还能够从一次 X 射线照射中挤出大量微小的钻石，大约为几十亿个微晶(总重量为几微克)。但克劳斯说，至少现在，对于应用目的来说这是不够的。化学催化剂等应用至少需要几毫克，用于检测磁流的金刚石量子传感器也是不够的。然而，它最终可以扩大规模以服务于这些目的，并成为迈向更高级的塑料回收方式的第一步。

“如果形成过程的工业规模化确实像上面讨论的那样有效，并且某些过程将需要非常大量的纳米金刚石，例如催化光诱导的二氧化碳还原反应有助于减少全球变暖，这确实可能成为一种潜在的方式回收大量的 PET，”克劳斯说。

虽然制作闪闪发光的微型小玩意很好，但重要的是不要忽视科学意图：更好地了解我们冰冷的行星邻居的极端环境条件如何导致真正的钻石淋浴。为此，克劳斯和他的团队认为，他们还发现了更多关于一种奇异水的证据，这种水首先被理论化，但后来在 2019 年被最终发现。

《纽约时报》 在 2018 年报道称，它被称为超离子水，就像固体和液体之间的奇怪混合物，被认为充满了海王星、天王星以及可能无数其他冰巨星和其他行星的地幔。它在地球上可能对我们没有任何应用，但它的存在可以解释为什么一些天体具有特殊的磁场。克劳斯说，纳米金刚石确实在冰巨星内部形成的发现使得超离子水的条件更有可能出现。

“在我们的实验中，我们还没有看到与钻石一起形成超离子水的直接证据，”克劳斯说。“但是我们的实验表明，碳正在与氢和氧分离，从而使纯水区域在行星内部形成。因此，通过使钻石沉淀成为这些行星内部更真实的场景，超级离子水的形成也变得更有可能。”

除了超离子水，克劳斯和他的同事们在纳米金刚石前沿还有更多的研究要做。他们正在寻找在几分钟内制造大量微小宝石的方法，并使用更容易获得但仍然是高能量的激光系统。他们甚至可能会尝试加入氮等元素，看看这将如何影响纳米金刚石的形状。(氮在钻石中很常见——大约 98% 的天然钻石含有百万分之几十到几百的氮原子。)

或许有人读到这篇文章之后，也想用旧水瓶做钻石，以成为一个新版本的绝命毒师。我想说，把复杂的物理学留给专家。

原文：https://www.vice.com/en/article/3advqv/scientists-turn-plastic-into-diamonds-in-breakthrough

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