[科普中国]-中科院用简单方法造出人工钻石，成本只要市场价1/6

近日，在“中国科学院宁波材料技术与工程研究所科技创新创业汇报会”上，一项重要的科研成果吸引了媒体的目光，连中央电视台财经频道都对这项技术进行了报道。是什么成果这么受关注？原来这项技术与钱有关——这次公布的是一种人造钻石的技术。晶莹剔透的钻石，和石墨的成分并无二致关于钻石，有一句几乎家喻户晓的广告语：“钻石恒久远，一颗永流传。”钻石作为一种非常名贵的首饰，象征着纯洁的爱情。但从物理学的角度来说，钻石是一种碳单质晶体（晶体，即有固定的形状与熔点），其成分和煤炭、石墨并无二致。不过，虽然我们生活中看到的煤炭、石墨都是黑色的，但钻石却一点也不黑，它是透明的。这是因为钻石作为一种晶体，其内部的电子有一种特殊的能带结构，这种结构决定了它不会吸收可见光的能量，因此可见光可以穿过整个钻石，使得钻石呈现出透明的性质。钻石的这种晶莹剔透的特性，加上它的坚硬，以及稀有性，于是在生活中成了一种定情信物，得到了大量女性的青睐。但它的本质还是碳原子，和铅笔芯中的石墨一样，没什么稀奇的。只不过在石墨中，碳原子的排列结构是一种平面结构；而在钻石中，碳原子的排列结构是一种四面体结构。这使得它们一个软、一个硬，一个黑、一个透明。那么，钻石的这种结构，在自然界中是如何形成的呢？高温高压的环境，形成天然的钻石天然的钻石一般是在火山爆发的过程中来到地球表面的，一开始它在地球深处的高温高压环境下形成，然后被岩浆带到地球的表面。大部分钻石的形成时间差不多与地球的年纪一样古老。比如南非出土的一些钻石年龄都有45亿年左右，而地球的年龄也只有46亿年。这说明这些钻石在地球诞生后不久便开始在地球深处结晶。另外，当陨石撞击地面时，瞬间产生的高温高压，也有利于钻石的形成。正因为天然钻石是在自然环境中形成的，所以在它形成的过程中，经常会有其他的元素混杂进来，这些杂质元素改变了钻石的能带结构，使得有些天然钻石不完全透明，而是呈现出特定的颜色。含不同杂质的钻石颜色也不相同，比如有的钻石有一点点粉红色，有的钻石有一点天蓝色，还有的钻石呈浅黄或金黄色。在自然界中，98%的钻石都是含氮元素较多（0.1-0.3%）的钻石（称为Ia型钻石），剩下的是含氮较少（称为Ib型）或不含氮（称为II型）的钻石。而人造钻石一般都是Ib型钻石或者II型钻石，也就是含氮较少或不含氮的钻石。用简单实验方法，造出“又大又便宜”的钻石在最近的大新闻中，中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能碳素材料实验室的研究团队，在实验室仅花了一周时间就培育出了大钻石，这项技术引起了媒体的关注。因为用该技术培育的钻石成本只有市场价格的1/6，可以说具有“一本万利”的商业潜质。那么，这种人造钻石是怎么造出来的呢？首先，人造钻石不需要像天然钻石那样在地球内部的高温高压条件下产生，也不需要火山喷发或者陨石撞地球这样的极端事件。它是在地面实验室中的温和环境下长出来的，其本质就是普通的晶体生长方法，称为“化学气相沉淀法”（简称CVD方法），英文全称Chemical Vapor Deposition。它的操作过程是以一小块钻石作为母石（“种子钻石”）放进反应炉中，然后在反应炉中充满甲烷，随后通电。之后甲烷分子被电离，形成等离子体。这个等离子体中包含了大量碳原子，它们像下雨一样不断累积到钻石母晶上，经过一层层累积，最后就形成了由纯碳原子组成的人造钻石。从甲烷气体中分裂出的碳原子沉积在“种子钻石”上，生长速度可以达到每小时0.007毫米。按照这个速度，在实验室环境下，一星期就可以“培育”出一颗1克拉大小的钻石，效率是比较高的。这种方法可以把钻石做到10克拉的大小，整个过程出品的钻石可谓“又大又便宜”。人造钻石 vs 天然钻石，并没有什么区别虽然人造钻石与天然钻石基本没什么区别，但因为心理原因，有大量的钻石消费者认为人造钻石不是“真正的钻石”。很多人宁愿花大价钱去买天然钻石，也不愿意花更少的钱去买人造钻石，这是因为他们内心深处觉得“人造钻石是廉价品”，——这会让他们的爱情打折扣。但是，问题的关键在于，一般人很难用肉眼分辨出人造钻石与天然钻石的区别。实际上这两种钻石的区别很小，连用科学仪器都很难分辨。一般情况下，可以用X射线荧光光谱仪等设备对钻石进行检测，但目前并不存在一个固定的判据可以区别出人造钻石与天然钻石，所以这种检测其实也只能给出一些参考性的意见。而且，除了可以制成各类钻石饰品外，钻石还可用于制造激光器、雷达等精密仪器，甚至在物理研究中也经常用到钻石，比如最近美国的物理学家在研究高温超导材料的时候，为了得到几百万个大气压的压强，就用两块钻石相互对顶来产生巨大的压力。所以，就算不是用于制造奢侈品，人造钻石降低了钻石的价格，对于工业、科研中的应用也是非常有利的。作者 | 张华 北京师范大学物理系硕士审稿 | 赵峥 北京师范大学物理系教授责编 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国