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经典的披头士乐队歌曲“露西在缀满钻石的天空”可能有了新的含义。科学家宣布，他们可能发现了迄今为止最坚固、最硬的金刚石基纳米材料。其特性表明它可能具有重要的工业应用，例如在交通运输或航空航天制造领域，并且它可能重振建造太空电梯的想法。
由宾夕法尼亚州立大学化学家约翰·巴丁领导的团队采用了一种让人想起超人在漫画书中将煤挤压成金刚石的方式。研究人员发现，孤立的液态苯分子（由碳原子环组成）在经历了缓慢、交替的压力循环后，会组装成出人意料的整洁有序的链。由此产生的线，仅有三个原子宽，比一根头发细数千倍，似乎具有三角形金字塔形状的碳原子环的锯齿形排列——这种结构类似于金刚石。科学家们直到现在才知道这种结构是可能的，它可能是迄今为止制造出的最坚固、最耐用的纳米材料。
巴丁说，该团队的发现是偶然的：“老实说，这纯粹是一场意外。” 巴丁实验室的研究生托马斯·菲茨吉本斯想研究由有机化合物苯制成的材料。当苯分子被分离出来时，它们会以有趣的方式发生反应，形成独特的结构。然而，为了使用传统技术研究这些结构，菲茨吉本斯需要大量的产物。他将液态苯样品带到田纳西州橡树岭国家实验室的一台名为巴黎-爱丁堡装置的机器上，并将分子放入高压腔中。一般来说，当液体在强压下挤压时，它会变成固体。“它基本上会冻结，”巴丁说。一旦冻结，苯分子就会排列成可预测的堆叠柱状模式。
接下来发生的事情是不寻常的部分。科学家们普遍认为，随着压缩的继续，苯分子最终会产生一种凌乱的白色粉末。“人们认为它们会以无序的方式反应并制造混乱，”巴丁说。
但菲茨吉本斯看到的不是混乱，而是秩序。“至少可以说，这对我们来说是一个震惊，”巴丁承认。研究人员非常惊讶，他们采用了一系列技术来证实这一发现，包括 X 射线和中子衍射、透射电子显微镜和振动光谱学。他们的结果是一致的：他们看到了秩序。
苯分子这种意外排列的原因可能在于压缩的时机。科学家们通常通过快速的压力变化循环来少量制造苯材料。为了生产更多产品，压缩循环必须更慢。“似乎我们给了苯分子时间来排列成一种模式，特别是纳米线，”巴丁说。这种缓慢的压缩是他们发现的关键。
德雷克塞尔大学 A. J. 德雷克塞尔纳米材料研究所所长尤里·戈戈齐说，尽管结果确实令人兴奋，但他希望对该材料进行进一步的确认和分析，例如使用“分辨率更高的图像，这可以进一步阐明材料的结构”，戈戈齐说。“假设他们的解释是正确的，这是有充分理由相信的，我认为这项发现是重大的。”
在纳米线可以商业化使用之前，巴丁希望确定它们在不同条件下的特性和行为，并准确了解苯分子是如何连接起来的。他说，这些研究可能需要数年时间。然后工程师们需要弄清楚如何最好地批量生产它们，并将它们融入现有的工业基础设施中以用于各种用途。首先，这些线似乎有望取代碳纤维，碳纤维在自行车车架、高尔夫球杆和飞机机身等商业产品中较弱且较重。
更远的将来，纳米线或许可以延伸到太空，向国际空间站运送补给或与轨道卫星互动。说真的。未来学家们长期以来一直设想，一根锚定在地球上并连接到轨道卫星的缆绳可以成为太空电梯的基础，但制造一根足够长和足够坚固的缆绳以抵抗高空风并安全地运送货物已被证明是一项挑战。传统的钢缆会在自身重量下断裂。原则上，金刚石纳米线可能既足够轻又足够坚韧，可以胜任这项工作。
即使这种特殊的纳米线被证明无法将补给或人类送入轨道，它的发现也可能为更好的替代品铺平道路。这并不是科学家们第一次通过诱导碳环进入独特的构型来产生金刚石结构。类金刚石碳，也称为无定形碳，通常用作其他材料的涂层，例如不锈钢锅上的保护层。戈戈齐说，尽管偶然发现一种新的结构令人惊讶和有趣，但这项研究提醒化学家们，发现其他类似结构指日可待。“这个小组已经表明，它是金刚石结构家族的另一个成员，我确信这不会是最后一个，”戈戈齐说。如果真是这样，那么太空电梯可能有一天会存在，天空中可能真的会有钻石。