此前全球最大的钻石公司戴比尔斯(De Beers)宣布：将在其130年的历史上首次开始销售人造钻石，自上世纪50年代以来，人造钻石一直在生产。现在科学家们首次观察到钻石是如何在原子水平上从种子长成，还发现要让晶体的生长过程加速，这些种子需要多大才能长成。发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上项研究结果揭示了成核过程不仅是在钻石中，在大气中，在用于计算机芯片的硅晶体中，甚至是在神经疾病中聚集在一起的蛋白质中。
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领导这项研究的斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的教授Nicholas Melosh说：成核生长是材料科学的一个核心原则，有一个理论和公式描述了这是如何发生在每一本教科书。这是描述从一个物质阶段到另一个物质阶段的方式，例如从液态水到冰。但有趣的是，尽管这一过程在世界各地都得到了广泛应用，但其背后的理论却从未经过实验验证，因为观察晶体如何从原子尺度的种子开始生长是极其困难的。
最小的点
事实上，科学家们早就知道，目前的理论经常高估启动成核过程所需要的能量，而且是相当多。限已提出了可能的方法来调和理论和现实，但是直到现在这些想法还只是在相对大的尺度上被测试过，例如在蛋白质分子上，而不是在原子尺度上开始成核。为了了解它在最小尺度下的工作原理，研究团队转向了钻石，一种最小的钻石，最小到只有10个碳原子。这些斑点是SLAC和斯坦福大学doe资助项目的重点，在这里，天然产生的钻石从石油流体中分离出来，按大小和形状分类并进行研究。最近的实验表明，它们可以被用作组装纳米线或引发化学反应“分子铁砧”的乐高积木。
一幅插图展示了钻石(左)，最小的可能的钻石斑点，是如何被用来种子纳米钻石晶体的生长(右)。数以万亿计的钻石附着在硅晶圆的表面上，硅晶圆被端接并暴露在含有碳和氢的热等离子体(紫色)中，这是形成钻石所需要的两种元素。一项新的研究发现，当种子中至少含有26个碳原子时，钻石的生长才真正开始。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
最新一轮的实验由斯坦福大学博士后研究员马修·格比领导，一种物质相遇到另一种物质的地方，例如空气和水的边界。事实证明，在钻石的生长过程中，界面是非常重要的，这一过程被称为CVD，或化学气相沉积，广泛用于制造工业和珠宝的人造钻石。Gebbie说：感到兴奋的是理解大小、形状和分子结构如何影响对新兴技术很重要的材料性能。这包括用于传感器和量子计算的纳米级钻石，需要使可靠和一贯的高质量。
钻石还是铅笔芯？
为了在实验室里用CVD培养钻石，微小的碎钻石被播种到表面并暴露在等离子体中，等离子体是一种温度极高的气体云，电子被从原子中剥离出来。等离子体中含有氢和碳，这是形成钻石所需要的两种元素。这种等离子体既可以溶解种子，也可以使其生长，两者之间的竞争决定了是否会形成更大的晶体。因为有很多方法可以将碳原子压缩到固体中，所以这一切都必须在适当的条件下完成；否则最终会得到石墨，俗称铅笔芯，而不是你追求的那种闪闪发光东西。
钻石种子给科学家提供了一个更好控制这个过程的水平。尽管它们太小了，即使是用最强大的显微镜也无法直接看到，但可以根据所含碳原子的数量精确地分类，然后通过化学方法附着在硅片表面，这样它们就能在等离子体照射下固定在合适的位置。在种子周围生长的晶体最终变得足够大，可以在显微镜下计数，这就是研究人员所做的。
神奇的数字是26
虽然钻石以前曾被用来为钻石的生长播下种子，但这是第一次试验来测试使用不同大小种子的效果。研究小组发现，晶体生长确实是由含有至少26个碳原子的种子开始。更重要的是，能够直接测量钻石粒子为了长成晶体而必须克服的能量屏障。人们认为，这道屏障一定就像一座巨大的山，碳原子不应该跨越它。事实上，几十年来人们一直有一个疑问，那就是为什么我们一开始就能制造钻石，发现更像是一座温和的小山。这确实是一项基础研究，但归根结底，真正感兴趣的是一种可预测、可靠制造金刚石纳米材料的方法。现在已经开发出了实现这一目标所需的基础科学知识，将寻找将这些金刚石纳米材料付诸实际应用的方法。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《美国国家科学院院刊》｜研究/l来自：SLAC国家加速器实验室，DOI: 10.1073/pnas.1803654115
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