如何变白菜价?且看中科院的钻石是如何“种”出来的

钻石恒久远

“钻石恒久远,一颗永流传”这句话不知让无数少女为之倾倒,又令更多男子为之掏空腰包。

热爱科学的你一定知道,钻石其实就是一粒坚硬透明的碳而已,它与黑不溜秋的石墨一样都是碳的同素异形体。钻石之所以贵,因为生成于数百公里深的地幔,又因为产量很低,品相好的更是少之又少。当然还有其它原因,比如传说某些垄断经营的宝石商刻意控制产销量,造成市场的饥渴,以攫取超额利润等等。

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从非洲开采的钻石

这正是中科院的科学家最近“种出钻石”引发一片欢呼雀跃的原因,眼见咱“种花家”成功种出了钻石,以后白菜价买钻戒求婚似乎是指日可待了,真是想想都激动呢!

人造钻石的尝试

自从1797年发现钻石其实就是纯碳之后,科学家们就开始了各种用碳造钻石的不懈尝试。

人造钻石并不容易,因为在自然状态下,碳需要在极高温度和极大压力下才能完成原子的重新排列,从而变成结构稳固的晶体。换句话说,要想将石墨变成闪亮的钻石,你至少需要2000K的高温和35GPa的强大压力。相当长的一段时期内,人类造不出如此强大的机器,这需要在地面以下150-250公里的地幔深处才能做到,有些钻石更是产生于地下800公里深的地方,并最终由地幔热对流、地壳运动和火山喷发带到地表。

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石墨在高压下的碳键改变

也难怪它死贵。

鉴于天然钻石形成于很深的地下,人们在制作人造钻石也自然希望模拟地幔高温高压的环境。其中一种代表性技术被称为HPHT,也就是将高纯度碳、小颗钻石“种子”与熔融的镍、钴或铁混合,再将其置于一组特制的模具和“砧座”里,用大型压带机对其施加10GPa的压力和1400℃的高温。在高温高压下,熔融金属溶解了高纯度碳源,然后将其输送到小钻石种子表面并沉淀下来,从而形成大的合成金刚石。

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HPHT加压法制作钻石原理

早期利用热压法制作的钻石颗粒大约只有0.15毫米大小,形状和颜色也不完美,只能用于工业用途。后来人们对设备和工艺进行了改进,在持续的高温高压下,可以用一星期期左右的时间得到5毫米大小的人造钻石。

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改进后的热压容器

由于工艺的关系,利用HPHT法制作出来的钻石大多带有杂色并且结晶不完美,依然只能用于工业。并且这种制作工艺需要极复杂的设备和大量能源,高昂的成本也使大颗粒人造钻石的价格居高不下。

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用HPHT法制作的小钻石

2015年,俄罗斯圣彼得堡的一家名为“新钻石技术”的公司在实验室里用热压法、花了300小时制出了一颗迄今为止最大的人造钻石,它重达32.2克拉,切割后制成了一枚重10.02克拉的无色钻石。经鉴定,这颗钻石被定为VS1净度、E颜色,并具有非常出色的光洁度,它依然很贵。

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重达10克拉的人造切割钻石

更先进的化学气相沉积法

此次中科院海洋新材料与应用技术重点实验室“种”钻石并不是热压法,而是更先进的化学气相沉积法(CVD)。

一种理论认为,在地幔深处,钻石其实并不是石墨压成的,而是由地下的碳氧化物(二氧化碳等)或甲烷气体中的碳一点点沉积而成。这个过程被称为气相沉积。

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甲烷气体是合成钻石的主要原料

利用化学气相沉积的办法在实验室制造高质量、高性能固体材料早已有之,其中就包括利用CVD工艺制作人造钻石以及在大面积基层上制作金刚石薄膜。2003年,美国一家名为“阿波罗钻石公司”就利用CVD工艺在一个微波等离子体炉里制作出了一批黄色钻石(有杂质),其中最大的一粒达到3克拉,它的成本只有几美元。阿波罗公司为此申请了专利。

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CVD炉及黄色合成钻石

CVD工艺可以“种”出品相完美的人造钻石,这是因其工作原理决定的。我们知道钻石是晶体,晶体结晶的过程实际上就是分子或离子在晶格相应位置一点点一层层逐渐堆积,从而形成结构稳固的化学键。无论是在地下还是地面,只要在合适的条件下制造出相当数量的碳离子,同时给它一个可以落脚的点,随着时间的推移,碳就有可能堆积成钻石。

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离子碳在钻石沉积过程中形成的三角形凹凸表面

CVD法合成钻石真可以是白菜价

人工合成钻石的工艺对任何一个国家、任何一间公司来说都是最高机密,但只要了解其原理,你就能明白:现在人工合成一颗完美的钻石真的可以是“白菜价”。

因为它只需要一个封闭的反应炉、一些便宜的钻石粉末、不多的电能,再加上耐心的等待就可以了。原材料不过就是纯净的甲烷气体和一些氢气,别的什么都不需要!

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气相沉积合成钻石的原理图

由上面的反应原理图我们可以看出,反应炉中加入的氢气实际上起着催化剂的作用。当氢气在微波或电弧下电离后,它变成等离子态氢(H.),因而具有很强的还原性。H.会从甲烷的C-H键中夺走氢组成新的氢分子,使甲烷脱氢、一步步裂解、最终产生碳自由基(C.)。在大约500℃和27kPa的低压下(一个标准大气压约为101kPa),碳自由基会一点点沉积在钻石晶种上,最后长成更大的钻石。

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钻石粉很便宜,通常用作工业磨料,也可以拿来做“种子”

在上面的过程中无论有没有氢的加入都可以有碳自由基的析出,但氢的加入可以使甲烷的转化率从67.36%提高到77.5%,从而大大加快了钻石合成的速度。实际上氢并没有被消耗,它只会越变越多。

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利用CVD技术“种植”并切割的钻石

尽管大家都知道CVD种植钻石的原理,但并不是人人都可以种出钻石来。其中主要的原因是气体的比例、温度与压力的控制、等离子体浓度等等都需要进行小心控制;同时等离子体氢和甲基中间体有极强的还原性,它可以与反应炉中的其它东西发生反应、腐蚀它们,从而使气体中掺杂其它元素的杂质,某些杂质比如硼(它在玻璃中很常见)即使只有极微量的水平,都不适合纯钻石的生长。由此可见,“种”钻石并不是农民在土地里播下种子等待它生根发芽,人工合成钻石是一个科学的过程,你需要解决很多问题克服许多困难才能得到好的结果。

掌握了这项技术,就意味着你可以用极低的成本批量生产出完美无暇的宝石。因为氢气和甲烷都是极便宜的气体,并且我们在生产过程中并不消耗氢气;相比于数千吨的大型压力机,CVD的设备可以做到小巧而且省电。你唯一需要的仅仅是插上电源、打开气体阀门再等上一个星期就可以拥有一批硕大的钻石了,它一点都不比这世上最昂贵的钻石逊色。

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钻石因其稀有而珍贵

总结:

便宜且更完美的人造钻石是否将强烈冲击国际珠宝市场,从而为戴比尔斯这样的全球钻石垄断企业敲响丧钟?我们还需要拭目以待。一个不可否认的事实是:人造钻石从品质上已经全面超越了天然钻石,并且它真的可以做到比白菜还便宜!

一旦我们可以很便宜地批量生产更大更纯净的合成钻石,就可以发挥它的物理优势,令其为科学服务。科学家们可以利用其优秀的光学特性制作光学透镜和激光器输出窗;利用其优良的导热性能制作大功率芯片的基材;它甚至可以代替硅用来制作新一代的集成电路芯片。

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未来集成电路基片或许就是人造钻石

当然,未来当你再向女朋友送钻石戒指时,或许也需要向她说明,那颗闪亮的石头到底是价值18万元的天然钻石呢,还是只值两块五毛钱的人造碳晶体?因为从物理角度二者之间并没有什么区别。

有趣的是,当一个人决定想要一件珍贵礼物的时候,她往往并不真正关心这件东西实际值多少钱,而是看你究竟是花了多少钱买的。这是不是很有趣呢?

不管怎么样,读了老粥的科普文章,可以少交许多智商税,也算是一大收获。还等什么?关注我吧!

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