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 

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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

耶魯大學天文學家Nikku Madhusudhan等人表示：他們發現一顆直徑約為地球兩倍的岩質行星，可能是顆鑽石行星。這是天文學家首度發現基本化學組成和地球不同的岩質行星，這顆行星可能覆滿所謂石墨，在石墨之下則是很厚的一層鑽石，而非一般岩質行星常見的水和花崗岩。

這顆鑽石行星編號為巨蟹座55e（55 Cancri e），直徑約為地球的2倍，質量則約為地球的8倍，故被歸類為所謂的「超級地球（super-Earth）」。它是在巨蟹座55星旁發現的第4顆行星；而巨蟹座55星本身距離地球僅約40光年，以天文尺度而言，就像是在太陽系的後院一樣近，以肉眼就可見到其光點。

巨蟹座55e以超高速繞著它的母恆星跑，環繞其母星一周僅需18小時，相較於地球繞太陽一圈需要365天而言，簡直就是火箭和蝸牛的強烈對比。由於這顆行星距離其母恆星非常近，因此表面相當酷熱，溫度高達攝氏2150度，完全不適合居住。

這顆行星是在去年首度經由凌日的方式偵測到；利用凌日法，天文學家得以精確測量這顆行星的半徑。這個新獲得的訊息，再與最近所估算出的質量加以結合之後，可讓Madhusudhan等人經由電腦模擬方式，推測出有哪些化學組成符合他們所觀測到的特徵。

天文學家先前曾報告過巨蟹座55星的碳元素含量比氧還多，Madhusudhan等人確定這顆行星精確的碳、碳化矽（silicon carbide，即俗稱的金剛砂）和幾乎可忽略的水冰含量，這些組成成分都是可在行星形成階段形成的元素或分子。

而先前天文學家也曾認為：如果巨蟹座55e的化學組成與地球類似的話，那麼應會含有大量過熱水（super-heated water）；但Madhusudhan等人的最新研究卻顯示這顆行星完全不含水，卻是有著大量的碳，而且是以石墨和鑽石型式出現的碳，此外還有鐵、碳化矽，另外或許還有少量的矽酸鹽類；其中，這顆行星總質量的1/3以上（約相當於3倍地球質量）可能都是鑽石，與地球內部富含氧、但極度缺乏碳的情形迥異；地球內部的碳含量，不到地球質量的1/1000。Madhusudhan等人之後將繼續追蹤觀測並研究巨蟹座55e的大氣層以及其母恆星的化學組成，落實有關這顆行星化學組成的發現。

確認這顆是富碳的超級地球後，意味著遙遠的岩質行星們的化學組成、內部結構、大氣層或生物等不再弒必得與地球類似。這項發現同時為地球級系外行星的地球化學與地球物理研究領域開啟一扇新窗，因為含碳豐富的狀況必定會影響這些行星的熱能演化和板塊構造，例如行星上的火山作用、地震活動和造山運動等都可能會有所不同。

恆星本身是很單純，只要給定恆星質量和年齡，就可以得出恆星的基本結構和歷史。可是行星就複雜的多了，這顆富含鑽石的超級地球可能只是這類發現的其中一個範例，未來天文學家們必定會在鄰近其他恆星周圍發現更多特別的行星。

資料來源：Nearby super-Earth likely a diamond planet. Yale News [October 11, 2012]

轉載自 網路天文館