钻石|坚不可摧的钻石？钻石

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“钻石恒久远，一颗永留存。 ”这句经典的广告台词，想必也能引起广大的共鸣，钻石也成为了大家心目中永恒的象征。
【钻石|坚不可摧的钻石？】
《自然》杂志的一篇论文中，研究团队对钻石施加约两千万倍大气压力（约是地核中心压力的5倍），发现钻石的物质结构依旧可以在极高压环境下稳定存在。这个结果除了展现钻石结构的稳定性，也可以帮助我们了解系外行星的内核构造。
当行星的体积愈大，其内核的压力就随之增加。例如：地球内核，压力约为350万大气压；体积较为庞大的木星，内核压力则高达7000万大气压。太阳系外被发现的超级地球（Super-Earth ，质量大于地球但小于天王星的行星），压力也可达到4000万大气压。若是该行星主要由碳元素组成，便有可能形成所谓的“钻石星球” 。钻石是碳元素的一种特殊排列方式，在地表（一大气压）的条件下，碳最稳定的排列方式是石墨。当施加足够大的压力时，钻石的结构胜出。这也是为何在地球深处，碳元素较容易被发现以钻石形式存在。
但是当压力增大到超过地核可能出现的情况时，当前的理论预测存在其他数种更稳定的晶体结构。这时问题就来了，在这些“钻石星球”中，碳元素是否就真的以钻石形式布满整个星球，还是其实在星球核心极端压力的作用下，钻石会逐渐被转化为其他结构呢？
就有物理学家用上百道极高能量的激光，同时聚焦在钻石样品上。庞大的能量被转化为压缩波，于短时间（纳秒尺度）内施加千万倍大气压于样品上，并同时透过X光了解钻石的结晶结构是否发生变化。
最后的分析结果显示，钻石在这种极端条件下依旧可以保持稳定结构。但是，理论不是告诉我们在这个条件下，钻石并非最稳定的存在吗？没错，所以准确来说，这个研究结果其实显示的是：钻石在这种条件下是“准稳态（亚稳态）” 。
到底稳不稳定？准稳态是什么？一个状态是否稳定，可以透过考虑施加一个轻微的扰动，观察此状态在扰动后，是否可以回复原状态。若是可以回复，则称为稳定态。通常来说，一个系统内可能存在多个稳定态。让我们想像如图一的一个山坡：除了最底部的山谷（A点），在山腰处还有一个凹洞（B点）。若我们在其中各放一颗小球，施加轻微扰动，这两颗球最终都还是会回到原位，所以可知这两个地方都是稳定态。但是它们“稳定的程度”却不相同，或者可以说“抵抗扰动能力”不一样。当扰动程度逐渐增加，放在B点的小球，就有机会突破山壁（局部位能障碍），而最终进入A点的稳定态。因此，如B点的状态，我们称其为“准稳态” ，它虽然是稳定的，但若是外加条件改变过于剧烈时，也可能使其改变。
图1图1 ，处于准稳态（B点）的小球，当受到外在扰动较轻微时可以维持在原本状态；但若扰动剧烈，便可能脱离原状态，进入能量更低处（A点）。
让我们再重新描述一次不同外在条件下碳的结构变化：在常温常压下，碳最稳定的状态是石墨。在这个条件下，石墨处于A点的最稳定态，钻石则是B点的“亚稳态” 。我们怎么知道此时钻石是亚稳态呢？这点可从日常生活经验得知：若是钻石在常温常压下是不稳定态，就可以发现珠宝店内的钻石项链逐渐变成石墨了！当我们深入地球深处，随着温度及压力提升，钻石成为最稳定状态，此时石墨无法稳定存在，会被逐渐转化为钻石。但当压力增加到约一千万倍大气压时，最稳定的状态又换人当了。然而，和前面的石墨不同，研究者们发现钻石在这种情况下依旧可以稳定存在。得益于其碳元素间稳定、强力的化学键，无论是在低压或极高压的情况下，钻石都能以稳态的形式存在。
石墨晶体形态千变万化，漆黑的石墨与澄澈明亮的钻石，只是由于碳元素不同的排列方式。对晶体稳定态的研究，除了可以让我们对生活周遭的物体有更深的认识，也能将认知推往遥远的地球之外：若是透过研究发现碳元素在极高压下并无法以钻石形式存在，或是根本无法以固体存在。那么遥远的将来的钻石星球“登陆”计划，也许就要再好好三思了！