碳元素加壓會變成鑽石，那鑽石再加壓會變成什麼？

文：劉詠鯤

《自然》雜誌2021年1月27日刊出一篇論文，碳元研究團隊對鑽石施加約兩千萬倍大氣壓力（約是素加石再地核中心壓力的五倍），發現鑽石的壓會物質結構依舊可以在極高壓環境下穩定存在。這個結果除了展現鑽石結構的變成穩定性，也可以幫助我們了解系外行星的鑽石內核構造。

當行星的那鑽體積愈大，其內核的加壓壓力就隨之增加。例如：地球內核，會變壓力約為350萬大氣壓；體積較為龐大的碳元木星，內核壓力則高達7000萬大氣壓。素加石再太陽系外被發現的壓會超級地球（Super-Earth，質量大於地球但小於天王星的變成行星），壓力也可達到4000萬大氣壓。鑽石若是那鑽該行星主要由碳元素組成，便有可能形成所謂的加壓「鑽石星球」。

鑽石是碳元素的一種特殊排列方式，在地表（一大氣壓）的條件下，碳最穩定的排列方式是石墨。當施加足夠大的壓力時，鑽石的結構勝出。這也是為何在地球深處，碳元素較容易被發現以鑽石形式存在。

但是當壓力增大到超過地核可能出現的情況時，當前的理論預測存在其他數種更穩定的晶體結構。這時問題就來了，在這些「鑽石星球」中，碳元素是否就真的以鑽石形式布滿整個星球，還是其實在星球核心極端壓力的作用下，鑽石會逐漸被轉化為其他結構呢？

物理學家Amy Lazicki和她的同事們，利用國家點火設施（National Ignition Facility, NIF）中上百道極高能量的雷射，同時聚焦在鑽石樣品上。龐大的能量被轉化為壓縮波，於短時間（奈秒尺度）內施加千萬倍大氣壓於樣品上，並同時透過X光了解鑽石的結晶結構是否發生變化。

最後的分析結果顯示，鑽石在這種極端條件下依舊可以保持穩定結構。但是，理論不是告訴我們在這個條件下，鑽石並非最穩定的存在嗎？沒錯，所以準確來說，這個研究結果其實顯示的是：鑽石在這種條件下是「準穩態（亞穩態）」。

到底穩不穩定？準穩態是什麼？

一個狀態是否穩定，可以透過考慮施加一個輕微的擾動，觀察此狀態在擾動後，是否可以回復原狀態。若是可以回復，則稱為穩定態。（此概念的說明可參考CASE文章：《上下顛倒玩具船》）。

通常來說，一個系統內可能存在多個穩定態。讓我們想像如圖一的一個山坡：除了最底部的山谷（A點），在山腰處還有一個凹洞（B點）。若我們在其中各放一顆小球，施加輕微擾動，這兩顆球最終都還是會回到原位，所以可知這兩個地方都是穩定態。但是它們「穩定的程度」卻不相同，或者可以說「抵抗擾動能力」不一樣。當擾動程度逐漸增加，放在B點的小球，就有機會突破山壁（局部位能障礙），而最終進入A點的穩定態 ^[1]。

因此，如B點的狀態，我們稱其為「準穩態」，它雖然是穩定的，但若是外加條件改變過於劇烈時，也可能使其改變。

Photo Credit: 臺大科教中心

讓我們再重新描述一次不同外在條件下碳的結構變化：在常溫常壓下，碳最穩定的狀態是石墨。在這個條件下，石墨處於A點的最穩定態，鑽石則是B點的「亞穩態」。

我們怎麼知道此時鑽石是亞穩態呢？這點可從日常生活經驗得知：若是鑽石在常溫常壓下是不穩定態，就可以發現珠寶店內的鑽石項鍊逐漸變成石墨了！當我們深入地球深處，隨著溫度及壓力提升，鑽石成為最穩定態，此時石墨無法穩定存在，會被逐漸轉化為鑽石。但當壓力增加到約一千萬倍大氣壓時，最穩定的狀態又換人當了。^[2]

然而，和前面的石墨不同，研究者們發現鑽石在這種情況下依舊可以穩定存在。^[3] 得益於其碳元素間穩定、強力的化學鍵，無論是在低壓或極高壓的情況，鑽石都能以準穩態的型式存在。

晶體型態千變萬化，漆黑的石墨與澄澈明亮的鑽石，只是由於碳元素不同的排列方式。對晶體穩定態的研究，除了可以讓我們對生活周遭的物體有更深的認識，也能將認知推往遙遠的地球之外：若是透過研究發現碳元素在極高壓下並無法以鑽石形式存在，或是根本無法以固體存在。那麼遙遠將來的鑽石星球「登陸」計畫，也許就要再好好三思了！

參考資料

• A.Lazicki et al., Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals, Nature, Vol 589, 28 January 2021.
• R. F. Smith et al., Ramp compression of diamond to five terapascals, Nature, Vol 511, 17 July 2014
• Diamond holds up at pressures more than five times those in Earth’s core

註解

1. 由於A點具有最低的能量，因此我們也稱它為「基態」。
2. 以晶體結構的語言來說，鑽石為「面心立方堆積」。在極高壓下，存在一種「體心立方堆積」的碳元素排列方式，更加穩定。
3. 此論文另一重要的貢獻在於，以往產生如此極高壓的方式，會將固體融化，造成研究固體穩定性難度大幅增加。此篇論文使用的方法可以在融化前，就將壓力波施加在固體上。

本文經台灣大學風險社會與政策研究中心授權轉載，原文發表於此

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