化学的新发现往往具有偶然性,液体宝石的合成也是如此。

这一天对美国宾西法尼亚大学的两位化学家帕特里厦 · 比亚康尼(Patrieia A. Bianconi)和格伦尼 · 维瑟(Glenn T. Vissher)来说,不过是为改进微电子产品材料而烧制新的硅锗混合陶瓷的普通一天。忽然间,一个念头同时跳入他俩的脑海中——可不可以用性质、结构相似于硅锗,而价格却又便宜得多的碳来代替烧制呢?

宾州大学这两位化学家虽曾制出过类似金字塔型的正四面体结构为单元所连接的硅锗聚合物,但他们却未预料到碳也会形成同样的结构。因为,正四面体结构的碳只有在地底深处经历了异常高温高压的余刚石才会以四根单键连接而成,更常见的则是由双键连成的既黑又软的金刚石的同分异物体——石墨。

当这两位科学家用碳代替硅锗,用同样的方法进行合成,得到一种极易溶化、形似红糖般的物质,他们出于好奇,进一步把它放入一般厨房用的烤箱中烧烤,意外地得到一种异常坚硬的固体,显然不是石墨。当他们用研钵来捣碎这种固体时,扞却被磨碎。这一现象引起了他们的兴趣,他们用X光来分析,发现这种化合物具有类似金刚石的特点。他们又用其他几种光谱仪来测试也得出相似结果。

这种极易溶化的聚合碳在液体时呈现出很漂亮的色彩,因此又被称为液体宝石。经过进一步合成,又显示出金刚石的特性,这自然为人工合成金刚石开辟了一条新路。

与普通的聚合碳相比,这种新的聚合碳有许多不同之处,普通的聚合碳具有直线型骨架,各个化学单元犹如树枝分叉开去,而新的合成物的结构编织得更紧密。光谱分析结果得出,这种骨架较易变成金刚石的骨架,只是不同分子之间存在差别,每个分子都有其独特的结构。

宾州大学的这两位学者把这种“液体宝石”加热至华氏390~750度之间,碳分子渐渐地变为正四面体结构;进一步加热至1000度,一部分即变成水晶般透明的金刚石,其余的则成石墨。随之用强酸进行冲洗,有67%的剩余物。用瑞门光谱进行测试,证实这一透明物质确是金刚石。

若对这一实验过程进行修改、提高,或许可以得到更加纯净的金刚石。而这一方法比现今工业上人造金刚石的工艺要简单、容易控制得多。现今工业上用的技术叫做“化学蒸气沉积法”(chemical vapor deposition简称CVD),这种技术需要时间很长。而且很难控制,用CVD方法来向固体表面喷添水晶膜,需用微波向甲烷气体喷射,来释放甲烷中的碳原子,然后让他们附在玻璃等表面,堆成具有金刚石所具有的正四面体结构的聚合碳。

“液体宝石”溶点低,因此可以将所需上膜的材料投入其液体中,再加热后,烤制成水晶膜,而且这种水晶膜更坚硬、防碎,可以为不同材料上膜,从太阳镜至计算机磁盘。

这种新技术的缺陷在于合成率低,质量也不如CVD所得到的稳定。许多化学家目前正在试图改进这些缺陷,比如,为了减少石墨这一副产品,他们用苯环侧键上是单键的化合物作为反应物代替原来侧键上是双键的,因为这很可能是产生石墨的原因。同时,研究者们还是试图把这一新技术运用到他们原来的课题上来改进微电子产品的材料。

[Science,1993年7月3日]