世界上最可怕的钻石是真的吗（了几百克拉的钻石后）
世界上最可怕的钻石是真的吗（了几百克拉的钻石后）正是在这些可以称得上是“滥用”的试验中，NBS 的科学家阿尔文·范瓦尔肯堡（Alvin Van Valkenburg）意识到金刚石在高压条件下具有无可比拟的双重潜力，既可作为限制和挤压样品的强大压力容器，又可作为一个了解压缩样品的有效窗口。范瓦尔肯堡将一对被完美切割的金刚石进行配对，其中每颗金刚石的尖头都被削平，以便将压力集中在“金刚石对顶砧”。他采用了一个简单的虎钳状设计，既可以让金刚石相互挤压以产生巨大的压力，同时也能保护晶体样品。20世纪50年代，美国国家标准局（National Bureau of Standards，NBS）提出了解决这一问题的成功方案，当时 NBS 的科学家偶然获得了一个研究金刚石的机会。他们得到了一大批从走私者那里缴获的经过切割的金刚石，并被告知可以拿这些金刚石做任何他们想做的实验。随后，其中数以百克拉计的、价值连城的璀璨珍宝，在科学家徒劳地寻找其中杂质的过程
二氧化碳、碳水化合物、碳基生命、碳中和、碳达峰……你可能时常听到“碳”，却未必了解“碳”，更可能不曾洞悉碳原子通过无数次轮回转世，深刻塑造了地球万物从始到终的演化进程。
科学家们刚开始研究地球深部的含碳矿物时，如何在模拟地幔和地核的超高压环境下保持研究对象不被破坏成了一个难题。半个多世纪前，一名美国科学家用一批被收缴的走私钻石，创造了一个既能保护矿物晶体不被压碎，又能维持高压条件不变的新型“容器”，自此开启了高压晶体学研究的新时代。
在已知的400多种含碳矿物中，高压矿物屈指可数。在地球深处的极端温度和压力下形成的含碳地幔矿物当中，金刚石是最显著的例子，另一个可能的候选者是高密度碳硅石，它拥有由碳原子直接与硅原子结合形成的类似金刚石的结构（一种明显缺少氧原子的结构）。由于碳化硅晶体的物理特性与金刚石非常相似，因此合成碳硅石经过刻面和抛光后便成为金刚石相对廉价的替代品。通过对金刚石内的包裹体（inclusion）的研究，科学家发现了一些其他含碳地幔矿物存在的可能，例如碳原子与铁、铬或镍等金属原子结合形成的含碳矿物。这些发现只是基于一部分来自地球深部的天然样品，这不禁让我们思考，在地球深部还会有哪些含碳矿物呢？
研究地幔矿物的常规办法是将普通的地壳矿物置于相当于地表以下100多英里（超过160千米）的极端环境中进行观测，比如常见的方解石就常常被用来做实验模拟。我清楚地记得我曾拜读过比尔·巴西特（Bill Basset）和他的研究生利奥·梅里尔（Leo Merrill）的开创性著作，他们首次研究了一系列超高压作用下致密的方解石。当我还是一名初出茅庐的、忙于寻找好的论文课题的研究生时，巴西特给出了一个对我充满吸引力的方向——高压晶体学。
与巴西特一样，很多科学家都认为“深碳”其实就是“高压碳”。因为越深入地球内部，物体受到的压力就越大。地幔里的矿物承受的压力可达数十万个大气压（地幔最深处可超过100万个大气压），而地核中的压力则超过100万个大气压。在苏格兰人詹姆斯·霍尔的枪管实验中，模拟超过地下1英里（1.6千米）的条件已经极具挑战性了。因此你会发现，模拟地幔环境是一个非常棘手的实验。
对从事晶体学研究的实验人员来说，另一个挑战是如何实现在模拟超高压环境时晶体样品不会被压成粉末。这是一场权衡的游戏。若想达到尽可能大的压力，就需要让尽可能小的面积承受巨大的作用力，可是面积太小又很容易导致微晶样品被压碎。那么如何才能在高压下进行测试但又不破坏微晶样品呢？这个问题比较复杂，因为你的加压样品必须密封在坚固的保护室中，在这种情况下该如何实现有效的实验呢？
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20世纪50年代，美国国家标准局（National Bureau of Standards，NBS）提出了解决这一问题的成功方案，当时 NBS 的科学家偶然获得了一个研究金刚石的机会。他们得到了一大批从走私者那里缴获的经过切割的金刚石，并被告知可以拿这些金刚石做任何他们想做的实验。随后，其中数以百克拉计的、价值连城的璀璨珍宝，在科学家徒劳地寻找其中杂质的过程中被燃烧一空（结论是，宝石级金刚石中的杂质并不多）。其他的金刚石，包括一颗价值不菲的重达8克拉的金刚石，被切割、钻孔、打碎。
正是在这些可以称得上是“滥用”的试验中，NBS 的科学家阿尔文·范瓦尔肯堡（Alvin Van Valkenburg）意识到金刚石在高压条件下具有无可比拟的双重潜力，既可作为限制和挤压样品的强大压力容器，又可作为一个了解压缩样品的有效窗口。范瓦尔肯堡将一对被完美切割的金刚石进行配对，其中每颗金刚石的尖头都被削平，以便将压力集中在“金刚石对顶砧”。他采用了一个简单的虎钳状设计，既可以让金刚石相互挤压以产生巨大的压力，同时也能保护晶体样品。
我们一层一层地来组装金刚石对顶砧的样品室。其底层是一块平坦的钢板，钢板上钻有一个小的圆柱形通孔。取第一个金刚石砧并将其放在孔的正上方，中心砧面朝上。接下来一层是从厚度不超过0.02英寸（0.51毫米）的薄金属板上切割下来的“垫圈”。垫圈上的一个小孔对准金刚石的中心，可作为样品室的圆柱形壁。将以下3种材料装入样品室：首先是晶体样品（用少许凡士林固定）；然后是小颗粒的压敏红宝石或其他材料，将其作为内部压力测量工具；最后，往样品室内加满水或其他传递压力的流体。把第二颗金刚石在垫圈上定位好，中心砧面朝下，在其背面放上第二块钢板，然后将样品室密封。样品室组装好之后，就可以用类似虎钳的设备对其进行加压。如果你严格按照要求进行组装，那么所有的圆柱孔都会处于同一轴线，这时就可以透过金刚石看到一个令人惊叹的、从未见过的超高压世界。
NBS 团队利用这个新“玩具”开启了高压研究领域的新篇章。他们惊奇地发现，纯净水变成了高压冰，酒精结晶成锋利的针状晶体。他们用精密的光谱仪测量光与物质相互作用后产生的戏剧性变化，另外他们还利用 X 射线对样品进行照射，以此来观察矿物内部原子重新排列的方式，即矿物在受到挤压时如何形成更致密的结构。
范瓦尔肯堡和他的 NBS 团队取得了引人注目的成果，20世纪70年代初，当我读到他们突破性的报告时，我获得了对这个曾隐藏在深处的神秘世界的惊鸿一瞥，就在那一刻，我明白了我此生想做之事。
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当深碳观测计划的科学家谈论找寻碳的所有存在形式时，我们脑海中会浮现出一个特别的画面，我们会想到原子。你身边的所有物质，包括所有的固体、液体和气体，都是由原子构成的。晶体之所以拥有独特的魅力，便是因为其内部的原子在空间呈周期性重复排列。每种矿物都有其独特的“原子拓扑结构”，即“晶体结构”。
压力为晶体结构增添了一些小“褶皱”。随着矿物承受的压力越来越高，其内部的原子将越来越紧密地排列到一起。如果我们要了解地球深部碳的存在形式，那么我们必须找到那些在超高压条件下形成的致密的晶体结构。
我们可以通过 X 射线衍射巧妙地测量晶体的原子结构。X 射线是一种高能量的光波，在性质上与可见光和无线电波相似，但其波长要短得多，只有十亿分之一英寸（2.54×10-11米）左右，这接近晶体中原子层之间的平均间距。当用 X 射线照射晶体时，晶体中规则的原子排列就会使 X 射线产生规则的衍射图像，可据此计算出各种原子间的距离和空间排列。
NBS 团队原始的金刚石对顶砧是一个巨大的进步，但它最初的设计体积太大，无法安装在标准的 X 射线束中。更重要的是，NBS 团队设计的钢支撑系统阻挡了大部分 X 射线的照射。1974年，梅里尔和巴西特在著名杂志《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）上发表了解决方案，并附上了详细的机械图纸。这个方法是构建一个微缩版的金刚石压腔（diamond anvil cell，DAC），用能使 X 射线透过的金属铍代替钢背板。一个带有3个螺钉的三脚架为梅里尔和巴西特的装置提供挤压力。
他们的第一个实验以方解石为主要材料。方解石内部的原子会在高压下转变为较致密的原子排列，在约1.5万个大气压和2万个大气压的条件下分别转化为“方解石- Ⅱ”和“方解石- Ⅲ”，这个压力范围与我们脚下几十英里处的地幔最上部相当。梅里尔和巴西特无法破译这些结构中的所有细节，但他们确实为我们呈现了原子排列中出现的轻微扭曲，这些扭曲表明了更紧密的原子排列和较低的晶体对称性。
我急于尝试这种新方法并把它应用到我的博士论文中，为此我联系了巴西特，想听听他的建议。换作别的科学家，他们可能会犹豫不决——既然自己拥有了强大的新技术并且还有大量需要解决的问题，何必耗费精力去给自己制造竞争呢？但巴西特不一样，他不辞辛劳地帮助了我。他让他的机械车间为我制造了一个新的金刚石压腔，以成本价卖给了我，然后专程从纽约州的罗切斯特市来到马萨诸塞州的剑桥市，教我如何使用它。
巴西特还帮助了很多其他科学家，助力高压晶体学领域蓬勃发展。多亏了巴西特开拓性的努力，方解石领域的研究一直让很多人着迷。现在我们已经知道，在约8万个大气压下，至少出现了6种发生结构变化的碳酸钙，而且每种都包含典型的三角形微粒碳酸盐，即3个氧原子整齐地围绕1个碳原子。在相当于上地幔处的压力环境中，铁、镁、锰以及其他元素的碳酸盐矿物表现出类似的情况，顺便一提，在 DAC 晶体结构研究中，这个压力范围相对容易实现。因此，我们现在知道地球深部矿物与近地表矿物的性质是不一致的。……
好书推荐
《碳如何玩转地球》
作者：[美] 罗伯特·M.哈森
译者：董汉文 曾令森
出版品牌：江苏凤凰科学技术出版社·青鸟新觉
出版时间：2022-7-1
本书是由50多个国家的1000多名科学家参与的“深碳观测计划”（Deep Carbon Observatory，DCO）的科普结晶，地球科学家罗伯特·哈森领导了 DCO 重要而意义深远的工作，通过富有诗意的语言，哈森带领我们从宇宙大爆炸开始，从碳循环的视角见证地球和生命的演化，同时融入了新近的科学成果以及背后充满惊险和趣味的科学故事。
全书以碳在土、气、火、水中的流转为线索，并巧妙地将这四大元素与交响乐的四个篇章对应，将众多科学家的开创性发现融汇为一部万物演化的交响乐！第一乐章“土之运动：晶体中的碳”介绍了关于地球地质演化的新知洞见；第二乐章“气之运动：循环中的碳”讲述了地球上宏伟的碳循环，碳在大气中的存在稳定了气候，使陆地上的生命得以进化；碳在能源、工业和新兴高科技领域发挥着活跃的作用，塑造了人类近现代的生活形态，这就需要第三乐章“火之运动：材料中的碳”与之匹配；第四乐章“水之运动：生命中的碳”，探索了生命的起源和演化。伴随着生命演化的多样性与创新性，乐章陡然加速，碳的交响乐迅速走向尾声，碳科学的诸多主题也汇集到一起。我们知道的越多，就会发现未知的东西也越多，而科学家们将继续满怀热情地寻找未知的答案。
作者简介：
罗伯特·M.哈森（Robert M. Hazen），美国卡内基科学研究所高级研究员，乔治梅森大学地球科学教授，深碳观测计划（Deep Carbon Observatory，DCO）首席研究员，曾任美国矿物学会主席，先后获得麻省理工学院地质学学士和硕士学位、哈佛大学地球科学博士学位。哈森不仅是矿物与生命协同演化理论的先驱，而且在科学传播与写作上表现非凡，发表科学文章400多篇，著有图书20余部。他曾获得美国矿物学会奖及其杰出公众传播奖、美国化学会伊帕季耶夫奖、蒂姆斯·泰勒奖、教育学会奖、伊丽莎白·伍德科学写作奖等。他还经常通过广播、电视、讲座和视频课等方式向公众传播科学。
译者简介：
董汉文（@毒董地质），中国地质科学院构造地质学博士，中国地质科学院地质研究所副研究员。现任中国地质学会青年工作委员会委员、世界青年地球科学家联盟中国委员会副主席，入选自然资源部青年科技人才，微信视频号、新浪微博等多个平台认证的科学科普学者。多年来专注于喜马拉雅造山带构造演化和造山过程的研究，在国内外主流地学期刊发表论文近20篇，系列科普视频“一分钟地质”深受公众喜爱。
曾令森，研究员，博士生导师，本科毕业于南京大学，博士毕业于美国加州理工学院。现任中国地质科学院地质研究所地球系统科学研究中心主任、中国青藏高原研究会副理事长，长期从事地壳深熔作用和造山带深部过程的研究，获国家杰出青年基金资助、“黄汲清青年地质科学技术奖”和“青藏高原青年科技奖”，入选国家“万人计划”。
本文转载自科研圈（keyanquan）。正文部分摘自《碳如何玩转地球》，图片与文字由江苏凤凰科学技术出版社授权发表。
