美国俄亥俄州的凯斯西储大学近日宣布，该校研究团队在常压和接近室温的实验工作台上成功研制出纳米金刚石。跟常规金刚石制备方法截然不同，该技术没有利用高温高压，也没有利用金刚石生长所需的衬底材料，仅利用了一种气体。

　　图示为电子显微镜下被微等离子体分离的乙醇蒸气;碳粒子被收集并分散在溶液中

　　该技术为诸多科研和工业应用开辟了新的思路。诸如超细金刚石微粉涂层塑料、柔性电子设备、植入管、药物输送装置等涉及到金刚石优越性能的产品都将受益匪浅。

　　这项技术成果发表在Nature Communications期刊上，是凯斯西储大学金刚石研究项目的一次创新突破。

　　化学工程系的副教授，同时也是此次项目的领导者Mohan Sankaran说：在室温和常压下，乙醇蒸气被转化为金刚石，这一过程并不复杂。乙醇蒸气被泵入等离子体，通过增加氢最终制备出纳米金刚石颗粒。只要条件合适，任何实验室都可制备出这种金刚石。

　　由于该制备过程常温常压的条件，像塑料这类材料就不会被融化，这就为一些高端技术的应用提供了很大便利。金刚石素以高硬度、优越的光学性能和高热导率而著称。跟碳和石墨的其他形式不同，金刚石是半导体，与硅的某些属性类似，在电子工业制备中是一种重要的材料。

　　制备金刚石的过程虽简单，但掌握精确的气体浓度和气体流却耗时不短。

　　凯斯西储大学的退休名誉教授Sankaran 和John Angus早在八年前就提出在常温常压条件下制备纳米金刚石的设想。Angus在上个世纪六七十年代曾利用高温低压的方法制备出金刚石薄膜，也即现在常用的化学气相沉积法(CVD)。而Sankaran则利用冷却微等离子体制造出了纳米金刚石颗粒。

　　现在，制备金刚石通常需要高温高压的条件将石墨转化为金刚石;或者将氢气和加热的衬底结合，以此来生长金刚石。

　　“就纳米尺寸而言，表面能(surface energy)使金刚石比石墨更稳定”，Sankaran解释道，“如果能够实现气相状态下5纳米碳团簇的成核，那么常压常温下就可以实现金刚石的制备”。

　　首先，研究者研制出一种等离子，具有类似于气态的性质，并且一部分带电或电离。火花就是一种等离子，但是它的温度高且不可控。

　　为创造一个安全的低温环境，工作人员在仅有头发丝直径大小的管道中泵入氩气，并对其进行电离，从而得到微等离子体。这种微等离子体的形态就像正在燃烧的燃料一样。然后，研究者又将碳源——乙醇泵入这些微等离子体，从而使碳不受气体中其他分子的影响从而生成了2~3纳米大小的粒子，最终产物就是纳米金刚石。

　　紧接着在不足1微秒(一百万分之一秒)的时间里，研究者继续输入氢气，这样就可以带走那些尚未变成金刚石颗粒的碳，同时还能保持已成型金刚石颗粒的稳定性。

　　目前，实验制备出的仅是金刚石微粉，尚未达到饰品级钻石的尺寸。Sankaran 和Kumar一直在不懈努力，力争将金刚石的平均直径保持在2纳米左右。

　　团队花了近一年时间来验证他们制备出的最终产物就是金刚石，以及该工艺能否复制。Kumar介绍，验证用了很多不同的方法，其中还用到了拉曼光谱来分析这些纳米粒的成分。

　　目前，纳米金刚石通常用爆炸法制备，碳素在瞬时产生和消失的超高压高温条件下，发生相变成金刚石颗粒;耗时短成本低。但金刚石颗粒容易聚簇，大小、纯度不一。而凯斯西储大学此次研究的新型金刚石制备方法则很好的解决了这些问题，金刚石纯度更高，粒度更小。

　　实验共制备出三种类型的金刚石：立方型，跟钻石结构类似;含氢型;六方型。六方型金刚石近年来被科学家在外太空频频发现，据研究，外太空恒星际灰尘发生撞击所产生的高压实际上也参与了外太空中石墨碳变成金刚石的过程，俗称恒星钻。Sankaran说：“我们制备金刚石的这种新方法或许和外太空恒星钻的产生原理是一样的;事实上，外太空中也存在着等离子体和乙醇。”

　　团队正在进一步研究能否改进制备工艺，从而生产出特定需求的金刚石并使其性能具备可控性。在上述三种金刚石类型中，六方型金刚石就要比立方金刚石的硬度高。

　　实现规模化生产也是研究团队下一步的目标。Sankaran十分看好其前景：将来，随着该技术的完善成熟，廉价简易的制备工艺将会给工业领域带来更多新颖先进的应用。