“鑽石恒久遠，一顆永流傳”這句話不知讓無數少女為之傾倒，又令更多男子為之掏空腰包。

熱愛科學的你一定知道，鑽石其實就是一粒堅硬透明的碳而已，它與黑不溜秋的石墨一樣都是碳的同素異形體。鑽石之所以貴，因為生成于數百公裡深的地幔，又因為産量很低，品相好的更是少之又少。當然還有其它原因，比如傳說某些壟斷經營的寶石商刻意控制産銷量，造成市場的饑渴，以攫取超額利潤等等。

從非洲開采的鑽石

這正是中科院的科學家最近“種出鑽石”引發一片歡呼雀躍的原因，眼見咱“種花家”成功種出了鑽石，以後白菜價買鑽戒求婚似乎是指日可待了，真是想想都激動呢！

自從1797年發現鑽石其實就是純碳之後，科學家們就開始了各種用碳造鑽石的不懈嘗試。

人造鑽石并不容易，因為在自然狀态下，碳需要在極高溫度和極大壓力下才能完成原子的重新排列，從而變成結構穩固的晶體。換句話說，要想将石墨變成閃亮的鑽石，你至少需要2000K的高溫和35GPa的強大壓力。相當長的一段時期内，人類造不出如此強大的機器，這需要在地面以下150-250公裡的地幔深處才能做到，有些鑽石更是産生于地下800公裡深的地方，并最終由地幔熱對流、地殼運動和火山噴發帶到地表。

石墨在高壓下的碳鍵改變

也難怪它死貴。

鑒于天然鑽石形成于很深的地下，人們在制作人造鑽石也自然希望模拟地幔高溫高壓的環境。其中一種代表性技術被稱為HPHT，也就是将高純度碳、小顆鑽石“種子”與熔融的鎳、钴或鐵混合，再将其置于一組特制的模具和“砧座”裡，用大型壓帶機對其施加10GPa的壓力和1400℃的高溫。在高溫高壓下，熔融金屬溶解了高純度碳源，然後将其輸送到小鑽石種子表面并沉澱下來，從而形成大的合成金剛石。

HPHT加壓法制作鑽石原理

早期利用熱壓法制作的鑽石顆粒大約隻有0.15毫米大小，形狀和顔色也不完美，隻能用于工業用途。後來人們對設備和工藝進行了改進，在持續的高溫高壓下，可以用一星期期左右的時間得到5毫米大小的人造鑽石。

改進後的熱壓容器

由于工藝的關系，利用HPHT法制作出來的鑽石大多帶有雜色并且結晶不完美，依然隻能用于工業。并且這種制作工藝需要極複雜的設備和大量能源，高昂的成本也使大顆粒人造鑽石的價格居高不下。

用HPHT法制作的小鑽石

2015年，俄羅斯聖彼得堡的一家名為“新鑽石技術”的公司在實驗室裡用熱壓法、花了300小時制出了一顆迄今為止最大的人造鑽石，它重達32.2克拉，切割後制成了一枚重10.02克拉的無色鑽石。經鑒定，這顆鑽石被定為VS1淨度、E顔色，并具有非常出色的光潔度，它依然很貴。

重達10克拉的人造切割鑽石

此次中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室“種”鑽石并不是熱壓法，而是更先進的化學氣相沉積法（CVD）。

一種理論認為，在地幔深處，鑽石其實并不是石墨壓成的，而是由地下的碳氧化物（二氧化碳等）或甲烷氣體中的碳一點點沉積而成。這個過程被稱為氣相沉積。

甲烷氣體是合成鑽石的主要原料

利用化學氣相沉積的辦法在實驗室制造高質量、高性能固體材料早已有之，其中就包括利用CVD工藝制作人造鑽石以及在大面積基層上制作金剛石薄膜。2003年，美國一家名為“阿波羅鑽石公司”就利用CVD工藝在一個微波等離子體爐裡制作出了一批黃色鑽石（有雜質），其中最大的一粒達到3克拉，它的成本隻有幾美元。阿波羅公司為此申請了專利。

CVD爐及黃色合成鑽石

CVD工藝可以“種”出品相完美的人造鑽石，這是因其工作原理決定的。我們知道鑽石是晶體，晶體結晶的過程實際上就是分子或離子在晶格相應位置一點點一層層逐漸堆積，從而形成結構穩固的化學鍵。無論是在地下還是地面，隻要在合适的條件下制造出相當數量的碳離子，同時給它一個可以落腳的點，随着時間的推移，碳就有可能堆積成鑽石。

離子碳在鑽石沉積過程中形成的三角形凹凸表面

人工合成鑽石的工藝對任何一個國家、任何一間公司來說都是最高機密，但隻要了解其原理，你就能明白：現在人工合成一顆完美的鑽石真的可以是“白菜價”。

因為它隻需要一個封閉的反應爐、一些便宜的鑽石粉末、不多的電能，再加上耐心的等待就可以了。原材料不過就是純淨的甲烷氣體和一些氫氣，别的什麼都不需要！

氣相沉積合成鑽石的原理圖

由上面的反應原理圖我們可以看出，反應爐中加入的氫氣實際上起着催化劑的作用。當氫氣在微波或電弧下電離後，它變成等離子态氫（H.），因而具有很強的還原性。H.會從甲烷的C-H鍵中奪走氫組成新的氫分子，使甲烷脫氫、一步步裂解、最終産生碳自由基（C.）。在大約500℃和27kPa的低壓下（一個标準大氣壓約為101kPa），碳自由基會一點點沉積在鑽石晶種上，最後長成更大的鑽石。

鑽石粉很便宜，通常用作工業磨料，也可以拿來做“種子”

在上面的過程中無論有沒有氫的加入都可以有碳自由基的析出，但氫的加入可以使甲烷的轉化率從67.36%提高到77.5%，從而大大加快了鑽石合成的速度。實際上氫并沒有被消耗，它隻會越變越多。

利用CVD技術“種植”并切割的鑽石

盡管大家都知道CVD種植鑽石的原理，但并不是人人都可以種出鑽石來。其中主要的原因是氣體的比例、溫度與壓力的控制、等離子體濃度等等都需要進行小心控制；同時等離子體氫和甲基中間體有極強的還原性，它可以與反應爐中的其它東西發生反應、腐蝕它們，從而使氣體中摻雜其它元素的雜質，某些雜質比如硼（它在玻璃中很常見）即使隻有極微量的水平，都不适合純鑽石的生長。由此可見，“種”鑽石并不是農民在土地裡播下種子等待它生根發芽，人工合成鑽石是一個科學的過程，你需要解決很多問題克服許多困難才能得到好的結果。

掌握了這項技術，就意味着你可以用極低的成本批量生産出完美無暇的寶石。因為氫氣和甲烷都是極便宜的氣體，并且我們在生産過程中并不消耗氫氣；相比于數千噸的大型壓力機，CVD的設備可以做到小巧而且省電。你唯一需要的僅僅是插上電源、打開氣體閥門再等上一個星期就可以擁有一批碩大的鑽石了，它一點都不比這世上最昂貴的鑽石遜色。

鑽石因其稀有而珍貴

便宜且更完美的人造鑽石是否将強烈沖擊國際珠寶市場，從而為戴比爾斯這樣的全球鑽石壟斷企業敲響喪鐘？我們還需要拭目以待。一個不可否認的事實是：人造鑽石從品質上已經全面超越了天然鑽石，并且它真的可以做到比白菜還便宜！

一旦我們可以很便宜地批量生産更大更純淨的合成鑽石，就可以發揮它的物理優勢，令其為科學服務。科學家們可以利用其優秀的光學特性制作光學透鏡和激光器輸出窗；利用其優良的導熱性能制作大功率芯片的基材；它甚至可以代替矽用來制作新一代的集成電路芯片。

未來集成電路基片或許就是人造鑽石

當然，未來當你再向女朋友送鑽石戒指時，或許也需要向她說明，那顆閃亮的石頭到底是價值18萬元的天然鑽石呢，還是隻值兩塊五毛錢的人造碳晶體？因為從物理角度二者之間并沒有什麼區别。

有趣的是，當一個人決定想要一件珍貴禮物的時候，她往往并不真正關心這件東西實際值多少錢，而是看你究竟是花了多少錢買的。這是不是很有趣呢？

不管怎麼樣，讀了老粥的科普文章，可以少交許多智商稅，也算是一大收獲。還等什麼？關注我吧！

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!