Orientation-selective microwave heating of laser-graphitized diamond at 2.45 GHz
本文表明，在透明高压高温（HPHT）钻石晶体内部通过飞秒激光刻蚀埋入石墨结构，能够实现 2.45 GHz 下强烈的、具有方向选择性的微波吸收，从而根据所刻蚀结构相对于电场的排列方式，实现高达约 900°C 的受控加热。
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钻石以其璀璨的光泽和比任何其他固体都更强的导热能力而闻名，但它在与无线电波交互方面也出了名的“固执”。如果你将一颗完美的钻石放入微波炉中，什么都不会发生；能量就像穿过透明空气一样直接穿透了晶体。这是因为纯净钻石中的原子被锁定在一种刚性的、非导电的结构中，无法对微波烹饪所使用的振荡电场做出反应。几十年来，科学家们一直在思考是否可以打破这种“隐形”状态，不是通过改变材料本身，而是通过在其中雕刻出一条隐藏的路径。问题在于，是否可以在透明钻石内部刻画一根微小的导电导线，然后利用这根导线捕捉微波能量并将其转化为热量，从而有效地将一颗透明宝石变成一个黑色的发热元件，而无需触碰其表面。
研究团队现在用一个明确的“可以”回答了这个问题，展示了一种让钻石吸收微波能量的方法，且这种吸收完全取决于其隐藏结构的排列方式。他们取了一块约有大骰子大小的合成钻石晶体，并使用超快激光在其中烧灼出一个微观图案。这个激光过程将钻石的内部结构从坚硬、透明的形式转变为柔软、导电的石墨形式，从而创造了一个肉眼看不见的埋藏式导线网络。随后，研究人员将这块经过改性的晶体放入微波腔内并观察其变化。结果令人震惊：当隐藏图案与微波电场对齐时，钻石开始迅速吸收能量，在几秒钟内升温至近900摄氏度。然而，当他们将晶体旋转九十度使图案与电场垂直，或者测试未经改性的钻石时，温度几乎没有超过室温。
这种巨大差异的关键在于隐藏结构的形状以及它如何与无形的电场力相互作用。激光不仅仅是画了一条线，它还刻画了一个中心棒状物并围绕其一系列同心圆，创造了一个深约1.8毫米的三维形状。研究人员发现，中心棒才是真正的加热引擎。因为与宽度相比，这个棒状物极其细长，它就像一个微型天线，当指向电场方向时，能够轻松捕捉到微波能量。当电场沿着长轴推动时，电荷会向两端涌动，产生强大的内部电流并产生热量。但如果棒状物侧转，电场无法有效地沿着长度方向推动电荷，因此棒状物保持冷却。周围的环形结构较短且较宽，在两种方向上对加热的贡献都不大，主要充当一个不干扰中心棒性能的背景。
这种行为并非化学之谜，而是几何学的问题。研究人员解释说，隐藏导线吸收能量的能力受控于一个与电场在薄物体周围如何表现相关的简单物理规则。当导线对齐时，电场会深入渗透到其中，允许导电石墨将能量耗散为热量。当不对齐时，导线实际上屏蔽了自身，阻挡了能量进入。研究团队通过使用红外传感器测量钻石温度确认了这一点，观察到随着功率增加，温度呈现平滑上升，随后在达到一个临界阈值后出现突然且剧烈的跳跃。在那一刻，钻石表面开始变得粗糙并发生氧化，这表明内部加热已经强烈到足以改变材料的表面化学性质。
该研究还排除了其他几种可能解释这种加热现象的可能性。研究人员证明，这种效应并非由钻石本身引起，因为未经改性的晶体保持冷却。这也不是单纯由激光损伤造成的，因为图案的方向是决定性因素。此外，他们确定加热并非整个晶体的缓慢、均匀升温；相反，热量是在微小的埋藏石墨轨道中产生，然后传导至表面。由于钻石是如此高效的导热体，一旦隐藏轨道开始吸收能量，整个晶体几乎会瞬间变热，产生一种均匀的升温现象，从而掩盖了热量诞生于微观体积这一事实。
这项工作为我们如何控制透明材料内部的能量提供了新的思考方式。通过使用激光在晶体内部写入特定形状，科学家现在可以仅通过微波场来决定何时以及何处产生热量。研究人员指出，激光刻蚀石墨的特定电导率恰好非常完美，正处于材料吸收能量效率最高的点。虽然这项实验具有破坏性——剧烈的热量最终损坏了晶体表面——但其背后的原理是稳健的。这表明，在未来，工程师可以设计出在正常条件下保持冷却，但只需通过旋转它们或改变微波场的方向，就能被切换到快速且精确加热状态的透明材料。这种在通常对能量“隐形”的材料内部实现定向热量控制的能力，代表了在微观层面精确操纵材料技术的一次重要进步。
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