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經典的披頭士樂隊歌曲“露西在綴滿鑽石的天空”可能有了新的含義。科學家宣佈，他們可能發現了迄今為止最堅固、最硬的金剛石基奈米材料。其特性表明它可能具有重要的工業應用，例如在交通運輸或航空航天製造領域，並且它可能重振建造太空電梯的想法。
由賓夕法尼亞州立大學化學家約翰·巴丁領導的團隊採用了一種讓人想起超人在漫畫書中將煤擠壓成金剛石的方式。研究人員發現，孤立的液態苯分子（由碳原子環組成）在經歷了緩慢、交替的壓力迴圈後，會組裝成出人意料的整潔有序的鏈。由此產生的線，僅有三個原子寬，比一根頭髮細數千倍，似乎具有三角形金字塔形狀的碳原子環的鋸齒形排列——這種結構類似於金剛石。科學家們直到現在才知道這種結構是可能的，它可能是迄今為止製造出的最堅固、最耐用的奈米材料。
巴丁說，該團隊的發現是偶然的：“老實說，這純粹是一場意外。” 巴丁實驗室的研究生托馬斯·菲茨吉本斯想研究由有機化合物苯製成的材料。當苯分子被分離出來時，它們會以有趣的方式發生反應，形成獨特的結構。然而，為了使用傳統技術研究這些結構，菲茨吉本斯需要大量的產物。他將液態苯樣品帶到田納西州橡樹嶺國家實驗室的一臺名為巴黎-愛丁堡裝置的機器上，並將分子放入高壓腔中。一般來說，當液體在強壓下擠壓時，它會變成固體。“它基本上會凍結，”巴丁說。一旦凍結，苯分子就會排列成可預測的堆疊柱狀模式。
接下來發生的事情是不尋常的部分。科學家們普遍認為，隨著壓縮的繼續，苯分子最終會產生一種凌亂的白色粉末。“人們認為它們會以無序的方式反應並製造混亂，”巴丁說。
但菲茨吉本斯看到的不是混亂，而是秩序。“至少可以說，這對我們來說是一個震驚，”巴丁承認。研究人員非常驚訝，他們採用了一系列技術來證實這一發現，包括 X 射線和中子衍射、透射電子顯微鏡和振動光譜學。他們的結果是一致的：他們看到了秩序。
苯分子這種意外排列的原因可能在於壓縮的時機。科學家們通常透過快速的壓力變化迴圈來少量製造苯材料。為了生產更多產品，壓縮迴圈必須更慢。“似乎我們給了苯分子時間來排列成一種模式，特別是奈米線，”巴丁說。這種緩慢的壓縮是他們發現的關鍵。
德雷克塞爾大學 A. J. 德雷克塞爾奈米材料研究所所長尤里·戈戈齊說，儘管結果確實令人興奮，但他希望對該材料進行進一步的確認和分析，例如使用“解析度更高的影像，這可以進一步闡明材料的結構”，戈戈齊說。“假設他們的解釋是正確的，這是有充分理由相信的，我認為這項發現是重大的。”
在奈米線可以商業化使用之前，巴丁希望確定它們在不同條件下的特性和行為，並準確瞭解苯分子是如何連線起來的。他說，這些研究可能需要數年時間。然後工程師們需要弄清楚如何最好地批次生產它們，並將它們融入現有的工業基礎設施中以用於各種用途。首先，這些線似乎有望取代碳纖維，碳纖維在腳踏車車架、高爾夫球杆和飛機機身等商業產品中較弱且較重。
更遠的將來，奈米線或許可以延伸到太空，向國際空間站運送補給或與軌道衛星互動。說真的。未來學家們長期以來一直設想，一根錨定在地球上並連線到軌道衛星的纜繩可以成為太空電梯的基礎，但製造一根足夠長和足夠堅固的纜繩以抵抗高空風並安全地運送貨物已被證明是一項挑戰。傳統的鋼纜會在自身重量下斷裂。原則上，金剛石奈米線可能既足夠輕又足夠堅韌，可以勝任這項工作。
即使這種特殊的奈米線被證明無法將補給或人類送入軌道，它的發現也可能為更好的替代品鋪平道路。這並不是科學家們第一次透過誘導碳環進入獨特的構型來產生金剛石結構。類金剛石碳，也稱為無定形碳，通常用作其他材料的塗層，例如不鏽鋼鍋上的保護層。戈戈齊說，儘管偶然發現一種新的結構令人驚訝和有趣，但這項研究提醒化學家們，發現其他類似結構指日可待。“這個小組已經表明，它是金剛石結構家族的另一個成員，我確信這不會是最後一個，”戈戈齊說。如果真是這樣，那麼太空電梯可能有一天會存在，天空中可能真的會有鑽石。