科技改變生活 · 科技引領未來
科技改變生活 · 科技引領未來
出品：科普中國制作：陳健（中國科學院上海硅酸鹽研究所）監制：中國科學院計算機網絡信息中心眩目的外表和堅硬的內心似乎使得鉆石一開始就與"昂貴"一詞相聯系。早在公元前四世紀，印度就開始交易鉆石。在當時，鉆石被當作寶石或者護身符，
出品：科普中國
制作：陳健（中國科學院上海硅酸鹽研究所）
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
眩目的外表和堅硬的內心似乎使得鉆石一開始就與"昂貴"一詞相聯系。早在公元前四世紀，印度就開始交易鉆石。在當時，鉆石被當作寶石或者護身符，而有限的鉆石產量僅僅能夠滿足印度富裕階層這一有限市場。到了1947年，戴比爾斯創作出經典廣告語"鉆石恒久遠，一顆永留傳"，鉆石成為永恒承諾的象征，走向國際市場。
A："鉆石沒什么別的缺點，就是太貴了"
B："貴難道不是你的缺點嗎？"
C："試著撕開鉆石華麗的營銷包裝，你會發現貴可不是它唯一的缺點！"
再怎么堅硬還不是個"怕光族"
金剛石俗稱"金剛鉆"，也就是鉆石的原身，它是自然界中天然存在的最堅硬的物質。由于硬度最高,鉆石加工必須使用與自身硬度相同的鉆石粉相互摩擦切削才行。
奇特的是如果在陽光下用放大鏡觀察鉆石，鉆石可能會慢慢消失不見（熱力學上碳在空氣中會氧化；動力學上碳在聚光的高溫下會加快反應速度）。這是因為當陽光聚焦在鉆石上的一點，溫度達到鉆石的燃點時，鉆石燃燒變成了二氧化碳氣體。科學家研究發現鉆石在純氧中燃點為720～800℃，在空氣中為850～1000℃，也就是說，鉆石不僅怕光，還怕熱……所以，千萬不要讓你的鉆石接近高溫，更不要好奇心太重，用大明火考驗它。
鉆石雖然堅硬，但是它還怕撞擊？沒錯，鉆石本身很堅硬，但往往越是堅硬的物質越是脆弱，韌性越差。鉆石雖然能切割任何東西，不怕磨損，但是卻害怕撞擊，所以請不要帶著"嬌貴"的鉆石做劇烈的活動，比如：與石頭、陶瓷等硬物碰撞或摔向大理石地面。
鉆石和碳竟然是"雙胞胎"
和其他被人們熟知的寶石一樣，鉆石也是普通的化學物質。就如同藍寶石是三氧化二鋁、翡翠是二氧化硅、莫桑石是碳化硅，鉆石也不過是碳（C）的同素異形體。
如同H2O在不同條件下呈現不同的形態——液體水、固態冰和氣態水蒸氣，C元素在不同的溫度和壓力下具有不同的形態表現：在常溫常壓下就是我們常見的黑色碳或石墨，在高溫高壓下則變成閃亮奪目的鉆石，而在一定條件下，它也可能是液態或者氣態C。
△不同溫度和壓力條件下水的形態和碳的形態 圖片來源：http://mooc.chaoxing.com/nodedetailcontroller/visitnodedetail?knowledgeId=415971、https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carbon-phase-diagramp.svg
鉆石和石墨是同一化學元素C的同素異形體，只是原子結構不同，鉆石為穩定的四面體結構，而石墨為層狀結構，兩層之間可以任意滑動。不同的原子結構導致兩者完全不同的物理化學性質：鉆石是地球上硬度最高的物質，其硬度被定義為莫氏硬度10；石墨為地球上最軟的物質，其莫式硬度為1。這就好比小時候喝的加糖精的水，一點點會非常甜，而量再多一點的話就變得非常的苦，在兩個極端間轉化。
既然鉆石和石墨都是C元素的同素異性體，那有沒有什么辦法可以讓他們變成同樣的結構呢？
答案是"有"。
就像水可以變成冰一樣，無非就是讓C原子重新排列一下。根據C的相圖我們可以得到只要溫度和壓力控制在一定條件下，例如我們將壓力控制在4.5～6.0GPa，溫度在1100℃～1500℃，石墨就會變成鉆石。
在觸媒即催化劑的作用下，石墨轉化為鉆石的化學反應的速率加快，所需的溫度和壓力條件也會降低。化學反應就像是要穿越一片山區，原本需要先爬到山頂再下山才能通過，但加入了觸媒之后，便如同打通了山底隧道，使反應更容易進行。目前最常見的觸媒為金屬觸媒，主要有純鐵、純銅和純鎂；合金觸媒有鎳基觸媒(如鎳錳、鎳錳銅、鎳鈷錳等)和鐵基觸媒(如鐵鎳、鐵鈷、鐵錳、鐵鎳鈷、鐵鈷錳鎳等；除此之外還有非金屬觸媒和超臨界流體觸媒等等[1]。
稻草也能變"黃金"
鉆石主要分布在火山口，天然鉆石源自地表下超過160公里的地方，地球內部的高溫高壓環境給了它形成的條件，3～4億年前的火山爆發，把它們推到了地球表面，而那時連恐龍都還沒有出現。但由于火山口的鉆石仍然十分稀少，鉆石的價格異常昂貴。然而隨著對鉆石的追求和熱愛持續增加，充滿智慧的人類終究找到了簡單的方法制造人工合成鉆石。由于稻草燃燒后主要成分為碳，和鉆石成分相同，人們調侃曰：稻草可變"黃金"。
目前人工合成鉆石的方法主要有：化學氣相沉積CVD法（Chemical Vapor Deposit）和高溫高壓HPHT法（High Pressure High Temperature）[2]。前者是化學氣相沉積法沉積鉆石，后者是通過高溫高壓的方式合成鉆石；CVD以生產大顆粒鉆石為主，HPHT主要生產小碎鉆。
CVD法：以低分子碳氫化合物（CH4、C2H2、C6H6等）為原料所產生的氣體與氫氣混合（有的還加入氧氣），在一定的條件下使碳氫化合物離解。在等離子態時，氫離子相互結合成的氫氣被抽真空設備抽走，剩下的碳離子帶正電荷。在鉆石或非鉆石（Si、SiO2、Al2O3、SiC、Cu等）的襯底上通負電，在電場的引導下，帶正電荷的碳離子就會向通負電的襯底移動，最后沉淀在襯底上，并按照鉆石晶格生長規律在襯底上生長出鉆石。其中以鉆石為襯底生長鉆石的CVD方法也叫做外延生長法，它按照鉆石籽晶的晶面參數不斷地堆積生長，故生長單晶鉆石必須用CVD外延生長法。
目前通過CVD法合成的鉆石品質與天然鉆石幾無二致，肉眼難辨，僅僅可以通過觀察其在短波紫外線下的磷光表現，與天然鉆石區分進行簡單的初步篩選。
HPHT法：模擬地殼底下的高溫高壓環境，在高溫高壓下，將石墨融到融化了的金屬觸媒里面。將石墨與液態金屬施壓到一定的壓力和提升到一定的溫度，例如：5.5萬個大氣壓力，1400℃～2500℃，所有的石墨都會溶解到熔融了的金屬觸媒中，并轉變為跟天然鉆石成分與結構幾乎一模一樣的鉆石。
就是一些專業的鑒定實驗室也無法分辨HPHT鉆石與天然鉆石間的差別。最簡單的方式是消費者在購買鉆石時一定要索取世界權威證書，IGI鑒定證書都會在證書上和鉆石腰部注明該鉆石顏色經過HPHT處理，所以消費者在閱讀證書時要留意該字樣。
人工合成鉆石已成主流？
中國的人工合成鉆石自20世紀90年代開始蓬勃發展，進入 21世紀以來，在世界合成鉆石領域占據了優勢地位，2016年產量已接近200億克拉：同年國內登記結婚的新人共有1133萬對，如果將這一年國內產出的合成鉆石平均分配，每對新人能分到1800克拉。
中國目前合成鉆石的售價大約為天然鉆石的50%～70%，隨著技術的進步和規模化生產帶來的邊際成本遞減，未來合成鉆石的成本甚至有可能降到天然鉆石的10%～30%。根據摩根士丹利的調研報告，到2020年，小顆粒合成鉆石的市場售價將達到同級別天然鉆石的50%，而大顆粒合成鉆石的售價有可能降到同級別天然鉆石的30%。摩根士丹利還預測，雖然目前合成鉆石的銷售額在全球市場中僅占1%，但隨著工藝質量和鉆石尺寸的快速提升，合成鉆石可能會在2020年占據寶石市場15%左右的份額[3]。
脫去忠貞不渝的象征外衣，未來的鉆石可能只不過是一枚平平無奇的小石頭罷了。
參考文獻：
[1]王雪等，點石成金——人造鉆石的真相，大學化學，2019, 34 (8)：142?147.
[2] Chengzhi Luo, Xiang Qi, Chunxu Pan et al, Diamond synthesis from carbon nanofibers at low temperature and low pressure, , 2015,5: 13879 .
[3] AI財經社，人造金剛石對天然鉆石的巨大沖擊，超硬材料工程，2019，31（1）:51.
文章僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場
李熙一