利用超高壓製造新物質
 
── 以震波開拓出材料科學的新境界
 
 
 
      「發射五秒、四、三、二、一、零！」
 
將兩段式輕氣鎗的點火器開關按下後，
二十毫米大小的彈丸以每秒五公里的速度飛向試驗材料。
瞬間，從遠方傳來「噹」的一聲，
好似震穿丹田時所發出的低沈聲音。
 
由於這種高速的碰撞，
在試驗材料上便產生了高達一百萬大氣壓的壓力，
使得物質中的原子排列方式改變，
　同時物性也跟著改變。
 
例如，在一大氣壓下，石墨是一種安定的碳原素結晶，
但是在加上超高壓時，其原子的排列方式會改變而形成鑽石；
此外如木星內部部的壓力高達數千萬大氣壓，
所以氫氣是以固態金屬的方式存在。
 
因此從事撞擊實驗研究的目的，
就是希望能夠利用超高壓來製造新物質。
 
　　一般的氮化硼外表像粉筆，
它的原子排列與化學性質和石墨相似，同時是白色的，
所以俗稱白石墨。蘇俄和美國曾經利用炸藥爆炸於瞬間壓縮白石墨，
而製造出與鑽石結晶構造極為相似的閃鋅型氮化硼(Z-BN)。
 
當初著手進行撞擊實驗的目的，
便是為了製造這種閃鋅礦型氮化硼。根據計算結果，
如果以秒速二公里的彈丸去撞擊石墨型氮化硼(G-BN)，
理論上應該可以製造出閃鋅礦型氮化硼，
但是因為被撞擊的試驗材料會碎成粉末四處飛散而無法回收，
因此閃鋅礦型氮化硼的合成仍然沒有成功。
 
        一九六二年，美國史丹福研究所的
波魯‧狄卡理(Paul DeCarli)和
約翰‧賈梅遜(John Jamieson) 利用炸藥爆炸的力量
推動鐵板撞擊石墨，在回收物中發現有鑽石的成份。
美國的杜邦化學公司已將這個技術加以發展，
而開始在市面上出售合成鑽石。
 
但是對於嘗試高壓撞擊來製造新物質的研究者而言，
鑽石的合成是一種技術能力的象徵，如果不能超越這個難關，
那麼別的更不用提了。為了要得到每秒二公里以上的速度，
以期合乎合成鑽石所須的條件，便開始研製加速裝置，
結果製造出兩段式輕氣鎗的特殊裝置。
 
兩段式輕氣鎗的裝置是利用火藥爆炸的力量
推動活塞去壓縮氫氣或氦氣，使其產生高壓來加速推動彈丸，
而形成一種兩段加速的構造。撞擊裝置的安排就像是
用一個撞球去正面撞擊兩個靜止而緊靠在一起的球。
 
由於撞過去的球的能量，經由被撞的球幾乎在原地不動，
而緊接於其後的球卻被彈出。這種現象
就是動量陷阱(momentum  trap)。
兩段式輕氣鎗的裝置就是將撞過去的球當做密封囊，
而緊接其後方的球當做鐵塊，利用動量陷阱的原理製成的。
 
　　至於因物體的碰撞所產生的撞擊壓力，究竟有何性質呢？
用高速彈丸去撞擊試驗材料時，會產生速度高於
　音速的縱波(longitudinal wave) 透過物質傳過去，我們稱之為震波。
 
聲音在空氣中的傳播速度約為每秒三百四十公尺，
但是在固體中的音速更快；在鐵中約為每秒五千九百公尺，
而在鑽石中則高達每秒一萬八千公尺。
在震波的作用下，原子沿著波的傳播方向移動，
我們將這種移動速度稱為粒子速度。
 
下面，我們將把物質中的原子比做一群魚，來探討它們的運動。
現在，假設這魚群都以相同的速度沿同一方向游動。
如果有一條大魚從後面追來，那麼在最後面的魚先感到威脅，
而開始以原來兩倍的速度游動。因此危險的消息就會由後往前傳，
使前方的魚也開始以兩倍的速度游動。
這種消息傳達的速度就相當於震波速度，
而魚的速度則相當於粒子速度。
 
　　在魚群中，已經感覺到危險訊號，
而開始以兩倍速度游動的魚群部分，其密度會急速地增加。
同樣的，在震波中的物質，其密度也會因而增高，
這就形成一種壓縮狀態。在魚群中，當危險的消息有如波浪往前傳時，
　波浪前端會受到強力的撞擊壓縮，我們稱這個面為震波面。
 
因此位於震波面上的物質所受的壓力會突然由一
　大氣壓增加到數十萬甚至數百萬大氣壓的高壓狀態，
這就是我們所說的撞擊力。例如，
當震波以每秒六千九百公尺的速度在鐵中傳播時，
其粒子速度為一千九百公尺，形成相當於一百萬大氣壓的壓縮狀態。
 
此外，如果用鐵塊去撞擊厚度僅數毫米的鐵時，
所能產生的撞擊壓力能持續的時間大約只有一百萬分之一秒。
 
    　但是如果魚的游動只是速度改為兩倍，
則魚的排列方式並不會改變，這種不會改變排列方式
的壓縮稱為絕熱壓縮(adiabatic compression)。
但是當危機緊迫的消息傳送到時，魚群便會突然加速地游動，
因此事實上魚群的排列方式會混亂。所以當物質受到撞擊時，
原子的排列會變得相當混亂。
 
原子排列一發生混亂，將會使熵(entropy) 增加。
熵是熱力學數，可用來表示系統混亂的程度。
當一個系統的熵值突然增加時，
　就表示該系統的混亂度正急速增加。
 
撞擊壓縮與絕熱壓縮最大的差異，就是在熵值的有無增加。
撞擊壓縮由於熵值的增加，便有多餘的高溫產生，
因此對於新物質的合成會有很大的影響。
 
    　此外，如果震波中的壓縮狀態真的像魚群那樣，
只在魚群游動的方向縮緊，那麼這就是一種單一方向的壓縮。
但是，在震波中物質的壓縮狀態並不是單一方向性的壓縮。
 
如果在一千萬分之一秒的時間內，將強力的X射線
照在處於撞擊壓縮(impact compression)狀態的物質上，
再分析由此得到的X射線繞射圖形，可知撞擊壓縮狀態
只有一部分是單一方向的壓縮重疊在一起，其餘大部分都是
受到來自四面八方的等方向性（isotropic）的壓縮。
 
在震波面上，物質不僅在波的傳播方向上會急速地壓縮，
同時在其垂直方向上也會發生壓縮現象。
我們就是靠這種奇妙的壓縮現象，才能在極短的時間內，
進行新物質的進成。
 
    　石墨是碳的同素異形體，由同一些類似苯環的構造
在同一平面連續相接，層層相疊成立體的構造，
具有金屬光澤及黑或鋼灰顏色。因層與層的間隔很大，
卻只靠微弱的凡得瓦力(Van der Waals force) 相結合
形成近似二維（二度空間）的結構，因此當受到撞擊壓縮時，
層與層的間隔會縮小，同時產生強力的結合，
　由原來二維的構造轉變成三維的構造，
使其體積縮小成原來的百分之四十五，而轉變成鑽石，
這些變化是在震波面通過的瞬間發生的。


 
 
arrow
arrow
    全站熱搜

    大方廣部落格 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()

    E-mail轉寄