實用化材料性質的轉變點

刊登日期:2012/11/5
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碳是非常奇妙的元素,可能是除了氧之外,對人類來說最重要的元素之一。它無所不在,有機、無機、有機金屬都有它的足跡。先進的研發題目中,也都免不了提到它,由碳、石墨、富勒烯、奈米碳管,到最近全球研發領域火紅的石墨烯等,而鑽石也是這些碳的同素異形體中的一員。最有趣的是,石墨是已知最軟的材料,而鑽石卻是已知最硬的材料,至於2009 年以來新發現的石墨烯更號稱是最強的材料。

一般的相圖或物理性質,為了方便比較,都以同樣的狀態基礎,即通常是以標準狀態(Standard State)下的數據列表或繪圖。即在一大氣壓或1 bar ,溫度為零度或攝氏25 度的條件下所測得的數據。兩種習用的狀態都是大約接近一大氣壓左右。若將壓力做為另一維度來編製相圖,就可以看到物質的物化性質隨壓力變化的另一世界。要形成鑽石的結構,理論計算的碳元素的溫度- 壓力相圖,鑽石須在高溫/ 高壓下才會形成。據研究報告顯示,至少要在4.5~6 GPa 及900~1,300°C 的狀態下,才有可能形成鑽石結構。所以天然的鑽石礦通常會在火山口, 火山將地函( 在地表下40~200 公里深)中的鑽石帶到地面,或因高速撞擊的高溫/ 高壓下形成的隕石坑附近。人造鑽石的製程技術之一,即是在高溫/ 高壓環境下,以長晶的方法成長,不但可長出大顆的鑽石,其性質也相當接近天然鑽石。


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