专家走进孙老师的课堂

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2022-03-014

孙家轩整理

专家信息：

刘 锦

北京高压科学研究中心 研究员

研究方向：

矿物物理、高压地球化学、行星科学

研究项目：

1.碳元素对铁合金的高压熔融的影响及其对深部碳循环的启示；

2.地球深部物质结构、状态方程、弹性及输运等物理化学性质；

孙老师：

网络上有这样一种说法，只要够努力，头发丝也能钻石，这是真的吗？

真的！（同学们）

我们今天请到了一位专门研究高压科学的专家，北京高压科学中心的刘锦研究员，掌声有请。

刘老师：

各位同学，老师好！

孙老师：

刘老师，我们这里的大气压力是一个大气压，那么您那的大气压大概是多少呢？

刘老师：

嗯，一个大气压的话大概是10的5次方吧！

孙老师：

哈哈，这是个笑话，刘老师没明白，我们这里是正常的一个大气压，您那里是高压科学研究中心，压力比这里大得多。

刘老师：

哈哈，刚才没反应过来！

孙老师：

刘老师，请问头发丝真的能变成钻石吗？

刘老师：

这个是可以的，因为我们这个头发嘛，主要也是一些碳水化合物，，金刚石的也是碳，所以这两者之间是有联系的。我们之前做过一些相关的研究，我们倒是没有用头发来做，不过用的是我们常见的一些贝壳啊碳酸钙，这样子在高温高压下，他会脱去氧，脱去钙之后，它会形成比较漂亮的钻石。

孙老师：

嗯好的，那地球内部最大的压力大概能有多大？

刘老师：

这个就很大了。就先一个，前两年过国内做了一个深海探测，就是马利亚纳海沟那边水深大概是11000多米，但那边的大气压才只有1000多大气压。但是我们的地球，你看脚下的这个石头比较致密，到了地球的核心，主要有一些铁或者镍这些啊重金属，所以说在我们地球核心的话，从地表到地球核心总共距离有差不多6000多公里，在这么长的一个尺度下，它的压力变化也很大，从地表的一个大气压，到地心6000多公里的深度，差不多有300多万大气压。大家可以记住，差不多可以是364、365，就是跟每年的356天这个数字接近，大家可以联系在一起记。这个大气压还是很大的，它可以把钻石的那个密度增加百分之几十。

孙老师：

好的刘老师。他可以把钻石的密度增加百分之几十，那就是说，其实我们现在看到的钻石，比如结婚戴的钻戒，跟地球内部真实钻石密度是一样的吗？

刘老师：

这个是有一些差别的，因为压力大嘛，它会更加的致密，嗯。其实我们戴的这些钻石，在地表虽然是稳定的，如果经过几十亿年，它逐渐退化成石墨，也就是黑色铅笔芯的主要成分。石墨的结构跟金刚石相比都是由碳组成，只是原子的排列方式不一样，造就了它们从颜色到硬度都不一样。在地表的一个大气压下，主要稳定的是应该是石墨相，但是金刚石也是可以稳定的，这是由于他的退变质的速率太慢，需要几十亿年慢慢变成石墨。所以广告上说的“钻石恒久远，一颗永流传”也要看时间尺度，我们人一辈子的100年，还是跟地质的50亿年来比啦。

孙老师：

哈哈，您要小心因为这句话被钻石商家找。那么请问您刚才提到，钻石是属于高压矿物，在常压下也可以存在，那是不是所有的矿物在常压下都能存在呢？

刘老师：

金刚石比较珍贵正是因为它属于高温高压矿物，我们国内也有一些地方产钻石，比如辽东半岛等一些都有，一般它是来源于地下150到200公里以及更深的深度，在地下100多公里、200公里的时候，压力已经很大了，差不多有5万个大气压以上，温度有1000多度。所以这样的环境人类肯定是不能生存的，但是金刚石还是好的。

如果说这些深部的金刚石，是缓慢地来到地表，他可能很快就石墨化，变成碳不值钱了。但是，有些火山大家可能都知道，就是叫金伯利岩筒，在这个造体里面，它的上升速度很快，可能在几个小时甚更快的时间内，就从地下200多公里上升到地表。这样的话，金刚石它就没有时间去蜕变，这就为什么我们可以在地表看见金刚石。但是对于其他很多矿物，其实它在深部的样子是保留不到浅表的，但是有一种办法，比如说在地下200多公里和更深的深度，甚至两三千公里的深度，在金刚石形成的过程中，把周围的矿物包裹在里面。金刚石是目前常见材料里硬度和强度比较强的材料，它可以保持内部一定的压力。这样的话，就可以把一些深部矿物保存在钻石里，相当于包裹体里面。前几年美国的科学家在巴西，认为金刚石来源于地下可能有八百八百公里左右。在地表一些液体，在一定的深度下就会像我们冷冻的冰一样。他在金刚石里面发现了一些水的“冰结构”。也不是说所有的都可以，但是有少量的能够作为钻石包裹体，从深部到达地面，这都是我们研究一些深部矿物组成、某些地球动力学过程非常重要的线索，这都是非常稀少珍贵的样品。

孙老师：

嗯嗯，那今天机会难得，有同学想向老师提问吗？比方说怎么把头发变成钻石。我其实也挺好奇的，因为我的头发挺多的哈哈。

刘老师：

其实除了头发，国外那边有一种技术，他们不仅可以把骨头给植物作肥料，还可以把它变成叫钻石，甚至有这样的一些商业活动，这是前几年在国外念书听说的，他们差不多在2015年左右开始在做这样的事情，不过具体不太清楚。

所以说含碳的物质，只要在高温下加上一定的压力，就可以变成我们想要的那种漂亮的、透明的钻石。

孙老师：

嗯，好的，谢谢刘老师，由于时间关系，我们今天就到这里，谢谢您，谢谢，再见！