碳元素加壓會變成鑽石，那鑽石再加壓會變成什麼？
我們想讓你知道的是
在極高壓下，鑽石挺了過來！研究團隊對鑽石施加超過地球核心五倍的壓力，發現鑽石的結構依舊可以保持穩定存在。如果地核深處有著人類，「鑽石恆久遠，一顆永留存。」這句經典的廣告台詞，想必也能引起廣大的共鳴。
文：劉詠鯤
《自然》雜誌2021年1月27日刊出一篇論文，研究團隊對鑽石施加約兩千萬倍大氣壓力（約是地核中心壓力的五倍），發現鑽石的物質結構依舊可以在極高壓環境下穩定存在。這個結果除了展現鑽石結構的穩定性，也可以幫助我們了解系外行星的內核構造。
當行星的體積愈大，其內核的壓力就隨之增加。例如：地球內核，壓力約為350萬大氣壓；體積較為龐大的木星，內核壓力則高達7000萬大氣壓。太陽系外被發現的超級地球（Super-Earth，質量大於地球但小於天王星的行星），壓力也可達到4000萬大氣壓。若是該行星主要由碳元素組成，便有可能形成所謂的「鑽石星球」。
鑽石是碳元素的一種特殊排列方式，在地表（一大氣壓）的條件下，碳最穩定的排列方式是石墨。當施加足夠大的壓力時，鑽石的結構勝出。這也是為何在地球深處，碳元素較容易被發現以鑽石形式存在。
但是當壓力增大到超過地核可能出現的情況時，當前的理論預測存在其他數種更穩定的晶體結構。這時問題就來了，在這些「鑽石星球」中，碳元素是否就真的以鑽石形式布滿整個星球，還是其實在星球核心極端壓力的作用下，鑽石會逐漸被轉化為其他結構呢？
物理學家Amy Lazicki和她的同事們，利用國家點火設施（National Ignition Facility, NIF）中上百道極高能量的雷射，同時聚焦在鑽石樣品上。龐大的能量被轉化為壓縮波，於短時間（奈秒尺度）內施加千萬倍大氣壓於樣品上，並同時透過X光了解鑽石的結晶結構是否發生變化。
最後的分析結果顯示，鑽石在這種極端條件下依舊可以保持穩定結構。但是，理論不是告訴我們在這個條件下，鑽石並非最穩定的存在嗎？沒錯，所以準確來說，這個研究結果其實顯示的是：鑽石在這種條件下是「準穩態（亞穩態）」。
到底穩不穩定？準穩態是什麼？
一個狀態是否穩定，可以透過考慮施加一個輕微的擾動，觀察此狀態在擾動後，是否可以回復原狀態。若是可以回復，則稱為穩定態。（此概念的說明可參考CASE文章：《上下顛倒玩具船》）。
通常來說，一個系統內可能存在多個穩定態。讓我們想像如圖一的一個山坡：除了最底部的山谷（A點），在山腰處還有一個凹洞（B點）。若我們在其中各放一顆小球，施加輕微擾動，這兩顆球最終都還是會回到原位，所以可知這兩個地方都是穩定態。但是它們「穩定的程度」卻不相同，或者可以說「抵抗擾動能力」不一樣。當擾動程度逐漸增加，放在B點的小球，就有機會突破山壁（局部位能障礙），而最終進入A點的穩定態 [1]。
因此，如B點的狀態，我們稱其為「準穩態」，它雖然是穩定的，但若是外加條件改變過於劇烈時，也可能使其改變。
讓我們再重新描述一次不同外在條件下碳的結構變化：在常溫常壓下，碳最穩定的狀態是石墨。在這個條件下，石墨處於A點的最穩定態，鑽石則是B點的「亞穩態」。
我們怎麼知道此時鑽石是亞穩態呢？這點可從日常生活經驗得知：若是鑽石在常溫常壓下是不穩定態，就可以發現珠寶店內的鑽石項鍊逐漸變成石墨了！當我們深入地球深處，隨著溫度及壓力提升，鑽石成為最穩定態，此時石墨無法穩定存在，會被逐漸轉化為鑽石。但當壓力增加到約一千萬倍大氣壓時，最穩定的狀態又換人當了。[2]
然而，和前面的石墨不同，研究者們發現鑽石在這種情況下依舊可以穩定存在。[3] 得益於其碳元素間穩定、強力的化學鍵，無論是在低壓或極高壓的情況，鑽石都能以準穩態的型式存在。
晶體型態千變萬化，漆黑的石墨與澄澈明亮的鑽石，只是由於碳元素不同的排列方式。對晶體穩定態的研究，除了可以讓我們對生活周遭的物體有更深的認識，也能將認知推往遙遠的地球之外：若是透過研究發現碳元素在極高壓下並無法以鑽石形式存在，或是根本無法以固體存在。那麼遙遠將來的鑽石星球「登陸」計畫，也許就要再好好三思了！
參考資料
- A.Lazicki et al., Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals, Nature, Vol 589, 28 January 2021.
- R. F. Smith et al., Ramp compression of diamond to five terapascals, Nature, Vol 511, 17 July 2014
- Diamond holds up at pressures more than five times those in Earth’s core
註解
- 由於A點具有最低的能量，因此我們也稱它為「基態」。
- 以晶體結構的語言來說，鑽石為「面心立方堆積」。在極高壓下，存在一種「體心立方堆積」的碳元素排列方式，更加穩定。
- 此論文另一重要的貢獻在於，以往產生如此極高壓的方式，會將固體融化，造成研究固體穩定性難度大幅增加。此篇論文使用的方法可以在融化前，就將壓力波施加在固體上。
本文經台灣大學風險社會與政策研究中心授權轉載，原文發表於此
延伸閱讀
責任編輯：丁肇九
核稿編輯：翁世航
Tags：
臺灣年輕科學家的幕後推手，李長榮教育基金會為優秀青年人才打造走向國際的舞台
我們想讓你知道的是
臺灣的年輕人才值得更多機會與資源，李長榮教育基金會作為一個拋磚引玉的角色，除了舉辦李謀偉科學論壇，讓年輕科學家能和國際頂尖大師進行交流，更辦理多項獎助學金計畫，希望能喚起更多人對人才教育的重視，並共同參與其中。
出於對人才培育的重視，李長榮教育基金會自創立以來，就以推動創新研究思維、促進產業與學術領域的交流互動為核心，開辦各式獎學金計畫與李謀偉科學論壇來幫助年輕世代。其中由李長榮集團總裁李謀偉與李長榮教育基金會董事長楊賽芬所贊助的「李謀偉科學論壇」（Bowei Research Conference, 以下簡稱BRC），更提供了讓年輕科學家能接觸到各國頂尖學者的機會，接受豐沛的知識洗禮。
李謀偉總裁在麻省理工學院求學期間，模塑了自己對於教育、知識傳授形式的想法。在回國後，更對臺灣年輕學子，因為受限於環境、經濟等條件而無法進一步打開國際視野、接觸到更多領先知識，甚至與世界級專家學者進行交流等，感到可惜。因此李謀偉總裁運用自己的資源，透過主辦BRC，將國際頂尖的科學家，帶進臺灣。
最高度期待的科學盛會，BRC李謀偉科學論壇
2023年舉辦的第三屆BRC，邀請到國際間最重量級的學者群來到臺灣，並交由科學諮詢委員會（Scientific Advisory Board, 以下簡稱SAB）負責推薦講者與規劃整個論壇流程。其中，SAB的主席，同時也是國際知名的化學家——Dr. Ehud Keinan，今年已是第二次參加BRC，他在談及論壇的意義，以及自己為此所投入的心力時，非常懇切地表示：「我人生中很大的一部分，都在為了幫助更多年輕科學家、為他們創造機會而努力，我不求取任何回報，只希望能夠為科學界與科學人才，打造一個更有活力的未來。」Dr. Ehud Keinan表示，當初他向李謀偉總裁建議，BRC應該要往更國際化、更高規格的形式發展，立刻獲得總裁的全力支持。
最初在廣邀國際學者參加時，由於是非常新鮮的嘗試，也不為人所知，許多專家學者們都是在再三請託之下才願意來到臺灣，但是經過了兩屆的經營與鑽研，成果逐漸發酵，BRC在國際間打響了名聲。「這些重要的學者，現在都非常樂意來參加論壇，甚至預約了明年（2024年）要再次來訪，這真的是非常令我們感到振奮和感動。」Dr. Ehud Keinan充滿期盼地說道。
李謀偉總裁也進一步說明BRC的目標，是希望臺灣年輕學子與世界最頂尖科學家的切磋能夠有更多靈感碰撞，並進一步發展為改善人類生活的關鍵。他補充說明，這樣的靈感碰撞，不是大家規規矩矩坐在會議室中就會出現，所以BRC從地點到議程的安排，都跟一般論壇不一樣，參考了美國戈登論壇的作法，選擇一個遠離都市紛擾的僻靜地點，讓所有與會者可以在這裡充分地放鬆、沈澱思緒。
在議程上，除了研討會之外，也會穿插安排休閒活動的交流時段。「我們邀請所有的學者和學生一起去健行、或騎自行車。在藍天白雲下，所有人都在很輕鬆自在的狀態中，自然而然地互動、談天。這是因為我相信，很多的靈感火花，就是在這個時候迸現。」李謀偉總裁認為這樣的安排，提供年輕學子一個跟大師們素面相見的絕佳機會，更是建立友誼、提高交流延續性的最好方法。
化學如何改變人類的生活，分子工程是科技新未來
第三屆BRC的主題為「The Magic of Chemistry」，議題聚焦在「New Frontier of Molecular Engineering – Electronic & Optical Materials（前瞻分子工程——電子與光學材料）」。針對這次的主題，Dr. Ehud Keinan分享，化學是事物的基礎，是滿足人類生活需求的科技中，最重要的元素。科學家發揮想像力，在自然生物、礦物，甚至化學元素中，找到可以模仿的靈感，再利用科學的方式重新整合這些素材，創造出了令人驚嘆不已的成果。
說到本次與會的科學家，Dr. Ehud Keinan興奮地介紹：「他們都是現今世界上，最重要、最有影響力的科學家。」包括諾貝爾獎、普里斯特利獎章（Priestley Medal）、威爾許獎（Welch Award in Chemistry）、沃爾夫獎（Wolf Prize）的得主們，或者擁有實力角逐這些獎項的科學家。
Dr. Ehud Keinan認為，對於年輕科學家來說，最好的刺激就是近距離的接觸這些大師，認識他們、了解他們的故事和思考的方式，從中獲得關於研究、科學、未來的種種啟發。「這是最高的學習，比起念任何理論，或者坐在課堂中記著一頁又一頁的筆記還要重要，你獲得的不只是知識，還有這個知識的發展過程。」
另外值得一提的是，本屆BRC所邀請的其中兩位學者，在論壇這段時間分別獲得了國際級大獎。科學諮詢委員翁啟惠院士，以醣科學的開創性研究，榮獲以色列化學學會Medicinal Chemistry Section（MCS-ICS）Barry Cohen藥物化學獎；而Jackie Yi-Ru Ying教授，則是成功將奈米科技與技術醫學結合，榮獲費薩爾國王國際科學獎（King Faisal Prize），成為首位獲得此項殊榮的女性科學家，Jackie Yi-Ru Ying教授在得知獲獎消息後，更俏皮地分享：「BRC is my lucky conference！」
多管道促進人才培育，讓世界看見臺灣年輕科學家
「我認為，對學生來說，不需要去要求他們有創意、有想法，因為這些事情並不是可以透過教導或學習而來的。對有志於從事科學的年輕人來說，只需要有自信，對自己正在做的事情與目標有信心。」自從15年前Dr. Ehud Keinan第一次訪問臺灣之後，他便時常因為教學或演講再次來訪。在他眼中，臺灣的學生們充滿了可能性，以及對知識的渴求。這就是為什麼他非常希望透過BRC，將大師們帶到臺灣，讓大師的身教和言教，給予學生們更多正面的鼓勵和刺激。
這樣的想法，和對於促進人才培育，無私挹注資源的李謀偉總裁不謀而合，因此這些年來，除了舉辦BRC，李長榮教育基金會也提供優秀人才更多獎勵管道，例如：優秀學生獎學金、李長榮博士生獎助學金計畫、李長榮碩士生獎助學金計畫等。李謀偉總裁特別提到：「教育是改變一個人的人生、改變一個社會最重要的動力。」這就是為什麼李長榮教育基金會，將持續推動各種研究活動，提供獎項、獎學金，希望幫助臺灣的年經科學家與學子，在研究與學習的道路上，能夠走得更自在、順遂。
