鄰近的超級地球—巨蟹座55e可能是顆鑽石行星

• 文 | 貝鳶業如

變質隱喻

變質（「後來形成的」）岩石是岩石世界中少數的多語通曉者，一生至少曾在兩種不同的地質環境中居住過。這些岩石所代表的是多元文化，而非文化熔爐。變質作用與熔融無關，而與固態狀態下的再結晶有關，就跟粉狀的新雪被埋起並變得易碎一樣。因此，變質岩的結構和成分風格各異，是其所棲環境的混合產物，這使變質岩成為所有地質文章中最豐富的一種。

變質沉積岩是其中最易閱讀的一種，因為它們可能尚保有分層、漣漪紋，甚至化石等可見的特徵，於是可以由所形成的變質沉積岩（也就是它們的原岩，意為「第一岩石」）中分辨出此種岩石。這就好像你憑著耳朵上一道疤痕的形狀，而認出一位你自孩提時代後就再沒見過面的老朋友。但即便再結晶作用和變形作用已然抹去這些特徵，變質岩的成分還是記錄著自己的起源身分（雖然外貌變了，你的朋友還是記得很久以前的某個夏天，曾與你一同在海灘消磨時光）。

大理岩是由石灰岩加熱所形成，而這兩種岩石主要也都由方解石礦（碳酸鈣，CaCo）所組成。

大理岩之所以呈半透明狀，單純就是因為再結晶顆粒的平均尺寸較大之故。板岩、千枚岩和片岩是頁岩（泥岩）不斷經由高溫烘烤而成。晦暗無光澤的黏土會依變質作用壓力與溫度條件的不同，而形成閃亮的雲母、耐看的紫色石榴石或天藍色的藍晶石，全都是由原來黏土中本來就有的鋁和矽重組而成。

此類只在相當嚴格的物理條件範圍內才會形成的礦物，稱為指標性礦物，是烙印在岩石生涯旅程各個不同關卡的印記。地質學家研讀指標性礦物，便能夠就特定岩石從其起源一路追溯到最深的掩埋處所，再回到他當初無意間撿起這塊岩石的地表。像鑽石這種主要藉由壓力而形成的礦物，是良好的地壓計，提供了礦物形成之時，岩石所處深度的測量讀數。其他只在特定溫度下才會結晶形成的礦物，則被當成地熱計使用。這些受壓力和溫度影響的礦物即便在旅行前往地表時，依然是其宿主岩石的亞穩成分，這就像大雪堆在氣溫升至冰點上之後，還可以繼續存在一段時間。不過，從熱動力學的角度來看，鑽石不盡然恆久遠。與在地表的情況不同的是，鑽石會慢慢劣化成另一種平凡得多的碳結晶形態——石墨，也就是用來製造鉛筆芯的「鉛」。好在對珠寶商和客戶而言，鑽石劣化要耗去好幾段的地質時間。

指標性礦物是辨識岩石變質時構造環境的關鍵。在地球大陸地殼的洞穴裡，溫度會以每公里攝氏二十度的速率穩定上升。

此種變化在礦坑深處便可直接觀察得到，在礦坑的較深處，溫度之高可能使人熱到無力。有些變質岩所含有的礦物集合與這種地熱梯度一致。也就是說，礦物所記錄下的溫度，正與我們預期中岩石所經歷受的壓力（深度）相當。這種以常見方式發展成熟的岩石所經歷過的，稱為一般性的深埋變質作用。

但許多其他的變質岩石所記錄下的溫度和壓力高峰情況，卻與這種典型的地熱梯度並不一致，亦即就岩石所到達的深度而言，這些岩石成分所暗示的溫度要不是太高，就是太低。

這意味著岩石是在熱混亂的情況下產生變質，而這正是岩漿或構造活動的標記。

若一塊岩石所含的指標性礦物在低壓下記錄到高溫（就像天才兒童過早深入成人世界），那麼這岩石必然曾在接近熱源處產生再結晶，熱源則多半是地底的大塊岩漿。

此種岩石所經歷的，稱為接觸變質作用。相反地，若一塊岩石含有高壓礦物（如石榴石、玉、罕見的鑽石等），卻從未經歷過相應的高溫，那麼這塊岩石位於深處之時，必然有某種東西使之冷卻，或至少將之隔絕開來（就像一個天真的成人過著異乎尋常受保護的生活）。

岩石是效能極低的熱導體，因此一塊岩石（尤其是大塊的岩石）是有可能在被熱得多的岩石包圍的情況下，依然保持著涼爽。

「隱沒帶」是海洋地殼因自身重量的拉扯而下沉（就像厚重棉被掉下床去）回到溫暖地函之處，此處便是此種隔絕現象可能出現的地質場景。海洋地層運動進入地函（對流循環的下降部分）的速率，較其因傳導而升溫的速率快了許多倍（岩石很不容易因傳導而增溫），因此海洋地層在隱沒到地函裡千百萬年後，依然能夠保持異常冰冷的表層，這一點甚至可由地震「觀察」得到，因為穿行地球內部的震波在通過這些較冷地帶時，運動速率會提高一些。

已進入隱沒帶的岩石有時候又會再度回到地表，但我們對這種地球消化不良的現象所知極少。這些岩石含有高壓低溫礦物的特徵，很容易被辨識出來。這些岩石稱為藍片岩，因為其中一種富含鈉、稱為「藍閃石」的礦石呈牛仔布色而得名。藍閃石非常罕見，但科學期刊討論它們的篇幅卻很多，因為它們明確地訴說進入隱沒帶的旅程，使我們全都能夠免於走這一遭。再說一次：你得找到對的岩石提問才行。

與隱沒有關的變質岩無疑為地球所獨有。月球、水星、火星和金星上沒有將岩石從地表推回地底深處的構造循環作用，因此應該沒有變質岩的存在（除非你要把因隕石撞擊而受創，發生驚嚇變質的岩石也算進去）。

火星和金星上大規模的火山作用可能使較老的岩石被覆蓋住，因而經歷了深埋變質作用，但由於缺乏有效侵蝕媒介的存在，這些岩石就一直無聲地停留在難以企及的深處，無法到地表來訴說它們的故事。

「鑽石恆久遠，一顆永流傳」是大家耳熟能詳的廣告詞。

鑽石是自然礦物當中最堅硬的，所以被用來象徵愛情的堅定。鑽石的形成相當不容易，要在地心承受熱力及壓力，經過幾千萬年，才能把碳化物轉化成鑽石，還要等待時機，藉由火山爆發或其他自然地心變動，才能將它由地心帶上地表，因此非常稀有。

鑽石的組成引起科學家的興趣。西元 1796 年，英國化學家譚能特 (Smithson Tennant, 1761-1815) 發現等重量的木炭與鑽石經過燃燒會產生等體積的二氧化碳氣體，因而證明鑽石與木炭同樣是碳元素的組成物，只是兩者外型不同而已。這項實驗結果發表後震驚學術界，吸引了不少科學家爭相投入研究並且合成鑽石，但此後的 150 年內並沒有任何一位科學家成功合成鑽石。

我想把石墨變成鑽石！可行嗎？

鑽石與石墨（常見用途為鉛筆筆心）兩者均是由碳原子組成，特性卻有天壤之別，其主要差異來自於原子排列方式不同。即使相同的元素組成，只要排列方式不同，特性就不同。

換句話說，如果能夠將石墨進行重新排列，就能夠將低價的石墨變成閃閃發亮的鑽石，這可能會比找到失落的寶藏更令人振奮。

首先我們來看看石墨與鑽石在結構排列上的差異：

如圖中 (A)、(B) 所示，石墨的結構為平面的層狀排列，而鑽石則為三維度的立體排列。

另外，在上圖中可以看到，石墨上的每一個碳原子周圍有三個碳原子相接鄰（專業的說法稱為「配位」），也就是三配位；而在鑽石當中，則是每一個碳原子為四配位。

換句話說，如果要將石墨轉化成鑽石，最主要的部分就是碳原子配位數的改變。而這樣的改變涉及結構的重組，需要很大的能量。

來打造一顆鑽石吧！

那麼有沒有辦法把廉價的石墨轉化成昂貴稀有的鑽石呢？我們先來了解鑽石在自然界中是如何形成的：

鑽石在地球深處約 5 萬大氣壓力和攝氏 1,200 度以上的條件生成後，經由火山噴出，快速冷卻；但若冷卻緩慢、停留時間夠長，鑽石就有可能轉化成石墨。

所以如果要製造鑽石，就要在實驗室想辦法創造在地殼內形成的這些條件。

高壓高溫法

在 1954 年聖誕節前，美國通用電器公司以高壓高溫法 (High Pressure and High Temperature, HPHT) 在 70,000 大氣壓及攝氏 1,600 度的環境之下將石墨轉化為鑽石，合成出第一顆人造鑽石。但這顆鑽石很小，只有 0.15 mm ，距離量產還相當遙遠。

在此合成的過程中，將石墨置於熔融狀態的鐵、鈷、鎳當中，使石墨也處於熔融狀態，可以進行重排並且催化反應的進行。這樣的環境提供了石墨轉化為鑽石所需要的能量。在此情形之下，層狀石墨（如下圖 (a)）。仍然為三配位，漸漸地有少數碳與其他層間的石墨形成四配位，局部破壞了原有的石墨結構。當反應繼續進行下去，有愈來愈多的碳形成四配位的碳（如下圖 (d)），最後形成了鑽石的結構。

化學氣相沉積法

前述高壓高溫法這樣製造鑽石方式過程太過緩慢，無法滿足商業需求。於是到了 1960 年代，又發展出化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD)。

經過改良且適合用於量產的化學氣相沉積法，是先將一顆小小的鑽石「核心」放入真空環境去除雜質，然後科學家往裡注入溫度高達攝氏 3,000 度的甲烷和氫氣，這些高溫氣體會裂解生成帶電荷離子體，而從甲烷裂解物中釋放出碳原子。碳離子會沉積在「核心」表面，並且複製原來放進去的天然小鑽石核心的結構繼續成長，以每小時 0.006 公厘的速度生長，一顆 1 克拉鑽石可以在幾天內生長完成（如下圖所示）。

目前生產人造鑽石的公司 Diamond Foundry ，則是將高壓高溫法 (HPHT) 與化學氣相沉積法 (CVD) 兩者混合使用，但實際製造方法因具有高度商業價值所以極為保密。

人造鑽石再也不是夢

在實驗室長出來的人造鑽石跟天然鑽石的化學結構完全相同，它們有相同的物理特性，甚至鑽石鑑別專家僅憑肉眼也無法分辨。也因為沒有開採的昂貴成本，這些人造鑽石的市場售價能比天然鑽石低 20% 到 40% 不等。

所以當你看到人造鑽石的時候，千萬不要說它是假的，因為它可能比天然鑽石更純、雜質更少。

參考文獻 ：

1. H. Tracy Hall, 88, Created Man-Made Diamonds 
2. Xie, H., Yin, F., Yu, T., Wang, J., & Liang, C. (2014, August 4). Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition. Scientific Reports. 
3. Get YOUR wedding ring 20% cheaper! Scientists GROW diamonds in a lab that are almost indistinguishable from natural stones 

＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
你是國中生或家有國中生或正在教國中生？
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學！

作者／chenwei

近日，美國史丹佛大學的戴宏杰研究組在《自然》發表論文，宣布研發出充電極快、壽命超長的鋁離子電池，引起了廣泛關注。比起耳熟能詳的「鋰電池」，人們對鋁離子電池的感覺要陌生得多。為什麼要研發這樣的新電池？這還得從充電電池的發展說起。

初中時，我有一部黃色的隨身聽。我給它準備了3對充電電池輪番上陣，這樣，當周杰倫的聲音突然變得緩慢時，我知道總有電池可以更換。後來，我有了MP3和手機，就漸漸不再聽隨身聽了，需要經常充電的，也從圓柱形的5號電池換成了扁扁的鋰電池。在我看來，世上無法逃避的事情，除了死亡和繳稅，還有給電池充電。

不是每一種電池都叫可充電電池

電池是生活中再常見不過的物品了。它進入人類世界已有200年的歷史。早在1800年，義大利科學家亞歷山卓·伏打（Alessandro Volta）就發明了「伏打電堆」（Voltaic piles）。伏打電堆由很多個單元堆疊而成，每個單元都有一塊銅板和一塊鋅板，中間由一塊浸有鹽水的布隔開。時至今日，生活中常見的鹼性電池、鉛酸電池、鋰電池等電池，都與古老的伏打電堆共享著同樣的工作原理：通過氧化還原反應將自己儲存的化學能轉化為電能。

這一看似神奇的過程其實並不複雜。一塊電池主要由正極、負極和電解液三部分組成。當電池與外電路聯通時，負極一端就開始發生氧化反應，釋放出電子；正極一端則發生還原反應，正好需要補充電子。由於電解液將兩極隔開，只允許離子流動，不允許電子流動，於是電子通過外電路從負極流向正極，形成電流做功，化學能也藉此轉化成了電能。

但如果用一次性電池為隨身聽供電，那麼一張專輯才放幾遍，電池就該扔了。一次性電池的電化學反應是不可逆的，也就是說，化學能轉化為電能的旅程只能一條路走到黑，電量用盡，電池也沒用了。能不能來一種可以重複使用的電池？

這種「得寸進尺」的需求，最終促成了世界上最早的可充電電池——鉛酸電池的誕生。它由法國物理學家加斯頓·普蘭特（Gaston Planté）於1859年發明。可充電電池採用的是可逆的電化學反應，只要施加外電壓，改變電子流動的方向（從正極流向負極），電池兩極就會發生與放電時方向相反的化學反應，彷彿「返老還童」，最終重新充滿電力。

這項發明影響之深遠令人不服不行——時至今日，人們在啟動汽車引擎時使用的蓄電池（俗稱電瓶）依然是鉛酸電池。鉛酸電池的負極與正極分別採用海綿鉛及二氧化鉛，電解液使用稀硫酸。它可以提供很大的電流，價錢也不貴，但就是體積太大了些。

鉛酸電池做不到面面俱到？沒關係，後面還有一堆科學家躍躍欲試呢。此後，研究者們又不斷探索，發明出採用其他化學反應的充電電池，如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。它們能量密度更大，體積更小，可以用於為各類小型電子設備提供電能。

青出於藍的鋰離子電池

之前說到，電池工作時，電子通過外電路從負極流向正極。與此同時，相同電荷量的正離子則在電池內部從負極向正極流動。早期的電池都使用諸如稀硫酸這樣的以水為溶劑的電解液。在這種情況下，電池內肩負維持電荷平衡任務的是氫離子。然而，使用水系電解液的電池，最多能達到的工作電壓也不過2伏特左右。如果我們想要獲得更高的電壓，輸出更大功率，就要使用不含水的電解液，找到替代氫離子的正離子。

查看元素週期表，最佳的候選者落在了鋰離子身上：作為3號元素，鋰的原子量只有6.9；它既輕又小，比其他大的離子更容易在電解液中移動，可謂不二之選。確定了鋰離子，接下來的任務，就是找到可以與之發生可逆反應的電極材料了。到20世紀70年代，美國化學家史丹利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在埃克森（Exxon）工作時率先發明了鋰離子電池。經過多年改良，商業化的可充電鋰離子電池在20世紀90年代初在日本推出。

鋰離子電池的負極使用石墨，正極使用鈷酸鋰，電解液則使用含有鋰鹽（如六氟磷酸鋰）的有機溶劑。放電時，嵌在石墨負極中的鋰被氧化、進入電解液，跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰；充電時，鋰則從鈷酸鋰中脫嵌，溜回石墨中，如此循環往復。這樣的電池，工作電壓可達到3.7伏特以上，能量密度大大提高。

但所謂「金無足赤，人無完人」，儘管鋰離子電池大獲成功，也免不了還有缺點——比如價格較高，容量流失，以及最嚴重的安全性不高的問題。鋰離子電池電解液使用的有機溶劑十分易燃，雖然我們可以通過加入添加劑和改進電池設計來提高電池的穩定性，卻終究不是長久之計。

厚望加身的鋁離子電池

原理上，我們只要用另一種X離子來替代鋰離子，並找到與之匹配的電極和電解液，就可以得到「X離子電池」。在眾多「X」的候選者中，鋁算是優勢比較明顯的：它的價格比鋰更低，化學性質也更穩定，而且在反應時，每個鋁原子可以釋放3個電子，似乎是個不錯的選擇。

然而，研發鋁離子電池的道路並不順利。最大的困難在於找到合適的正極材料和電解液。在以往的研究中，正極材料往往會在充放電過程中發生不可逆的結構破壞，能有效參與反應的部分因而越來越少。最終，電池容量迅速下降，使用壽命只有幾十個循環——這顯然不能滿足人們的需求。

在研究者們鍥而不捨的努力之下，上月，鋁離子電池終於迎來了大突破。史丹佛大學化學系的戴宏杰教授在《自然》發文宣布，他的研究小組成功製造出了超長壽命的鋁離子電池。

這種電池選用鋁金屬作為負極，正極則是一種三維結構的泡沫石墨。秘製電解液由有機鹽[EMIm]Cl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride）和AlCl₃按一定比例混合製成的離子液體。負責在電解液中轉移電荷的離子是AlCl₄^–。電池放電時，鋁負極被氧化生成Al₂Cl₇^–，同時釋放電子；本來嵌入在泡沫石墨正極孔隙中的AlCl₄^–則脫嵌進入電解液。充電時，電解液中的AlCl₄ ^–則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當中。因為AlCl₄ ^–離子的體積較大，因此找到一種可以允許它快速嵌入/脫嵌的的正極材料頗為關鍵。研究人員巧妙地製備了泡沫石墨——它內部充滿空隙，表面積很大，讓AlCl₄ ^–離子可以快速自由地進出。

取而代之？

說了這麼多優點，這樣的鋁離子充電電池什麼時候能走進我們的生活？

恐怕還早得很。

目前，它的工作電壓只有鋰離子電池的一半，能量密度也只有40 Wh·kg ^–1，與鉛酸電池相當，還不到鋰離子電池的三分之一，所以大家應該還沒法在智能手機、筆記本電腦或電動汽車裡看到它。除了​​性能的提高還潛力很大之外，這些鋁離子電池的生產成本也有待降低——它的電解液使用離子液體，價格較高；用於製備泡沫石墨正極的化學氣相沉積法也不便宜、是很難投入大規模生產的工藝。要達到「物美價廉」，研究者們還有很長的路要走。

但不管怎樣，鋁離子電池在使用壽命、功率密度和安全性方面的性能依然優越，如果未來可以降低生產成本，它們將會十分適合用於在對能量密度要求不高的地方發揮作用。比如在電網儲能係統中，它們能為太陽能和風能等可再生能源儲能，還能作為家用大型電池，為電動車充電，或是在停電時為電器供電。

一旦科學家能夠研發出比泡沫石墨更好的正極材料，進一步提高鋁離子電池的工作電壓，它的用途將更加廣泛。隨身聽走了，MP3也快走了，科技產品一代又一代地從我們的生活中出現又淘汰，電池和研究電池的人卻一直還在。之後還會有怎樣的電池驚艷我們的生活？給裝備充好電，拭目以待吧。

參考文獻：

1. Lin, Meng-Chang, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery.Nature (2015).
2. Nagaura, T. & Tozawa, K. Lithium ion rechargeable battery. Prog. Batteries Solar Cells 9, 209 (1990).
3. Wessells, et al. Investigations of the Electrochemical Stability of Aqueous Electrolytes for Lithium Battery Applications. Electrochemical and Solid-State Letters 13, no. 5 (May 1, 2010): A59–61.
4. Chen, Z. et al. Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition. Nature Mater. 10, 424–428 (2011)

本文轉載自果殼網