（文章來(lái)源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

據(jù)美國(guó)華盛頓大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校與海軍研究實(shí)驗(yàn)室以及太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員宣布了一種新的合成方法，它能將硅、氬、氮元素?fù)诫s到納米金剛石中，創(chuàng)造出發(fā)光點(diǎn)缺陷，使之可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究、量子計(jì)算、量子通信、量子成像等領(lǐng)域。鉆石，可謂家喻戶曉，以極度純凈著稱，象征著愛(ài)情與忠貞。在珠寶首飾商店里，我們可以看到各種鉆戒和鉆石項(xiàng)鏈。

鉆石的原身是金剛石。金剛石是一種碳元素單質(zhì)晶體。它是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)，同時(shí)也有著很強(qiáng)的色散特性，可以將白光分散成五顏六色的光。在金剛石晶體中，碳原子按四面體成鍵方式互相連接，組成無(wú)限的三維骨架，是典型的原子晶體。與其同素異形體“石墨”相比，金剛石在內(nèi)部碳原子排列方式與外表物理特征上都存在巨大差異。

然而，讓科學(xué)家們感到興奮的，并不是成為裝飾珠寶的那種鉆石，而是比人類發(fā)絲寬度更細(xì)的微觀品種，也稱為“納米鉆石”或“納米金剛石”。它幾乎完全由碳組成。但是，研究人員將其他元素（例如硅和氮）摻入到納米金剛石的晶格中（這種方法稱為“摻雜”），就會(huì)制造出“空位發(fā)光中心”，也就是所謂的“發(fā)光點(diǎn)缺陷”。含有這種缺陷的金剛石可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究、量子計(jì)算、量子通信、量子成像等領(lǐng)域。

空位發(fā)光中心，可成為一種強(qiáng)大的量子位，因?yàn)槠渲械碾娮印白孕睍?huì)具有疊加態(tài)。這些電子可用于存儲(chǔ)量子信息，也可用于激發(fā)單光子?？瘴话l(fā)光中心發(fā)出的單光子可保持量子位的疊加態(tài)，作為量子互聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)距離通信的信息載體。

在一篇于5月3日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展（Science Advances）》期刊上的論文中，美國(guó)華盛頓大學(xué)、海軍研究實(shí)驗(yàn)室以及太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員宣布，他們可以采用極高的壓力與溫度摻雜納米金剛石。團(tuán)隊(duì)采用這個(gè)方法將硅摻雜到納米金剛石中，使金剛石可發(fā)出深紅色的光。這一特性使得這些金剛石對(duì)于細(xì)胞和組織成像來(lái)說(shuō)非常有用。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們的方法也可以將氬摻雜到納米金剛石中。氬氣是一種與氣球中的氦氣相似的惰性氣體。 納米金剛石與這些元素?fù)诫s，可應(yīng)用于量子信息科學(xué)。量子信息科學(xué)是一個(gè)迅速擴(kuò)大的領(lǐng)域，包括量子通信與量子計(jì)算。華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授、太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員、論文通信作者表示：“這種方法使我們通過(guò)仔細(xì)選擇合成期間采用的分子啟動(dòng)材料，故意將其他元素?fù)诫s到金剛石納米晶體中?！?/p>

摻雜納米金剛石還有其他方法，例如離子注入。但是，這個(gè)工藝往往會(huì)破壞晶體結(jié)構(gòu)，而且摻入的元素被隨意放置，從而限制了性能與應(yīng)用。在這里，研究人員決定不在納米金剛石合成之后進(jìn)行摻雜。取而代之的是，他們摻雜分子成分，來(lái)創(chuàng)造具有他們想摻入的元素的納米金剛石，然后再采用高溫與高壓來(lái)合成含有這些元素的納米金剛石。

基本上來(lái)說(shuō)，這就像做蛋糕：將糖先添加到面糊中，比在烘焙之后再將糖添加到蛋糕中，要容易得多，效率也更高。

團(tuán)隊(duì)打造納米金剛石的起點(diǎn)是一種富含碳的材料（Pauzauskie 稱它類似于木炭）。研究人員將這種材料制作成一種稱為“氣凝膠”的輕量、多孔基體。然后，他們?cè)谔細(xì)饽z中摻入了稱為“正硅酸乙酯”的含硅分子，該分子通過(guò)化學(xué)方式集成到碳?xì)饽z中。研究人員將反應(yīng)物密封在金剛石對(duì)頂砧墊圈中，這樣會(huì)在墊圈內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)15吉帕的壓力。作為參考，1吉帕差不多是1萬(wàn)個(gè)大氣壓，或者海洋最深處壓力的10倍。

金剛石對(duì)頂砧墊圈的側(cè)視圖。它被用于在靠近對(duì)頂砧中間的兩個(gè)合成金剛石之間生成超過(guò)15吉帕的壓力。（圖片來(lái)源：Mark Stone/華盛頓大學(xué)）

為了防止在如此極端的壓力下氣凝膠被壓壞，他們采用了氬氣。氬氣在1.8吉帕斯卡的壓力下變成固體，成為一種壓力介質(zhì)。在將材料放置到高壓環(huán)境中之后，研究人員采用激光加熱對(duì)頂砧達(dá)3100華氏度以上，超過(guò)太陽(yáng)表面溫度的三分之一。他們與華盛頓大學(xué)化學(xué)工程系榮譽(yù)教授 E. James Davis 的合作中發(fā)現(xiàn)，在這樣的溫度下，固態(tài)氬融化形成超臨界流體。

華盛頓大學(xué)研究員 Abbie Ganas 與 Matthew Crane 操作設(shè)備，采用激光將金剛石對(duì)頂砧墊圈的溫度加熱至3100華氏度以上，超過(guò)太陽(yáng)表面溫度的三分之一。通過(guò)這個(gè)工藝，碳?xì)饽z被轉(zhuǎn)化為含有發(fā)光點(diǎn)缺陷的納米金剛石，這些發(fā)光點(diǎn)缺陷由硅基摻雜物分子形成。納米金剛石發(fā)出深紅色光線，其波長(zhǎng)約為740納米，這在醫(yī)學(xué)成像中非常有用。摻雜其他元素的納米金剛石會(huì)發(fā)出其他顏色的光線。

Pauzauskie 表示：“我們向元素周期表上扔飛鏢，只要我們擊中的元素溶于金剛石，我們就可以采用這種方法將這種元素?fù)诫s到金剛石中。你可以制造出寬光譜納米金剛石，它可以根據(jù)不同的成像用途，發(fā)出不同顏色的光線。我們也可以采用分子摻雜法，以兩種或者更多的不同摻雜原子，制造出更加復(fù)雜的點(diǎn)缺陷，包括之前從未創(chuàng)造出來(lái)的新缺陷?！?/p>

令人吃驚的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的納米金剛石也含有其他兩種他們并未打算摻入的元素，即作為壓力介質(zhì)的氬和來(lái)自空氣的氮。就像研究人員想要摻入的硅一樣，氮與氬已經(jīng)完全融入到納米金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中。這標(biāo)志著，科學(xué)家們首次采用高溫、高壓組裝技術(shù)，將惰性氣體元素（氬）摻雜到納米金剛石的晶格結(jié)構(gòu)中。將惰性原子與化合物中的其他材料結(jié)合，并不容易。

Pauzauskie 表示：“這是一個(gè)意外的收獲，徹底出乎我們的意料。但是，將氬融合到納米金剛石中的事實(shí)表明，這個(gè)方法有望用于創(chuàng)造其他的點(diǎn)缺陷，這些點(diǎn)缺陷有望應(yīng)用于量子信息科學(xué)研究?！毕乱徊?，研究人員希望故意地在納米金剛石中摻入氙氣（另外一種惰性氣體），從而有可能應(yīng)用于量子通信和量子傳感等領(lǐng)域。

最終，團(tuán)隊(duì)的方法也將有助于解開(kāi)一個(gè)宇宙之謎：納米金剛石已經(jīng)在外太空被發(fā)現(xiàn)，而外太空的某些物質(zhì)（例如超新星或高能碰撞），會(huì)在納米金剛石中摻入惰性氣體。盡管 Pauzauskie 及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的方法是用于在地球上摻雜納米金剛石，但是他們的發(fā)現(xiàn)將幫助科學(xué)家們了解哪些外星事件觸發(fā)了遠(yuǎn)離我們家園的宇宙摻雜。
（責(zé)任編輯：fqj）