如何變白菜價？告訴你中科院的鉆石是怎么“種”出來的

鉆石長久遠

“鉆石長久遠，一顆永傳播”這句話不知讓無數少女為之傾倒，又令更多男人為之掏空腰包。

熱愛科學的你必然知道，鉆石其實就是一粒堅硬透明的碳罷了，它與黑不溜秋的石墨一樣都是碳的同素異形體。鉆石之所以貴，因為生當作于數百公里深的地幔，又因為產量很低，品相好的更是少之又少。當然還有其它原因，好比傳說某些壟斷經營的寶石商決心節制產銷量，造當作市場的饑牽蘿補屋，以攫取超額利潤等等。

從非洲開采的鉆石

這恰是中科院的科學家比來“種出鉆石”激發一片歡呼雀躍的原因，目睹咱“蒔花家”當作功種出了鉆石，今后白菜價買鉆戒求婚似乎是指日可待了，真是想想都沖動呢！

人造鉆石的測驗考試

自從1797年發現鉆石其實就是純碳之后，科學家們就起頭了各類用碳造鉆石的不懈測驗考試。

人造鉆石并不輕易，因為在天然狀況下，碳需要在極高溫度和極大壓力下才能完當作原子的從頭擺列，從而釀成布局安定的晶體。換句話說，要想將石墨釀成閃亮的鉆石，你至少需要2000K的高暖和35GPa的壯大壓力。半斤八兩長的一段期間內，人類造不出如斯壯大的機械，這需要在地面以下150-250公里的地幔深處才能做到，有些鉆石更是發生于地下800公里深的處所，并最終由地幔熱對流、地殼活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。

鑒于自然鉆石形當作于很深的地下，人們在建造人造鉆石也天然但愿模擬地幔高溫高壓的情況。此中一種代表性手藝被稱為HPHT，也就是將高純度碳、小顆鉆石“種子”與熔融的鎳、鈷或鐵夾雜，再將其置于一組特制的模具和“砧座”里，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，熔融金屬消融了高純度碳源，然后將其輸送到小鉆石種子概況并沉淀下來，從而形當作大的合當作金剛石。

HPHT加壓法建造鉆石道理

早期操縱熱壓法建造的鉆石顆粒大約只有0.15毫米巨細，外形和顏色也不完美，只能用于工業用途。后來人們對設備和工藝進行了改良，在持續的高溫高壓下，可以用一禮拜期擺布的時候獲得5毫米巨細的人造鉆石。

改良后的熱壓容器

因為工藝的關系，操縱HPHT法建造出來的鉆石大多帶有雜色而且結晶不完美，依然只能用于工業。而且這種建造工藝需要極復雜的設備和大量能源，昂揚的當作本也使大顆粒人造鉆石的價錢居高不下。

用HPHT法建造的小鉆石

2015年，俄羅斯圣彼得堡的一家名為“新鉆石手藝”的公司在嘗試室里用熱壓法、花了300小時制出了一顆迄今為止最大的人造鉆石，它重達32.2克拉，切割后制當作了一枚重10.02克拉的無色鉆石。經判定，這顆鉆石被心猿意馬為VS1凈度、E顏色，并具有很是超卓的光潔度，它依然很貴。

重達10克拉的人造切割鉆石

更進步前輩的化學氣相沉積法

此次中科院海洋新材料與應用手藝重點嘗試室“種”鉆石并不是熱壓法，而是更進步前輩的化學氣相沉積法（CVD）。

一種理論認為，在地幔深處，鉆石其實并不是石墨壓當作的，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當作。這個過程被稱為氣相沉積。

甲烷氣體是合當作鉆石的本家兒要原料

操縱化學氣相沉積的法子在嘗試室制造高質量、高機能固體材料早已有之，此中就包羅操縱CVD工藝建造人造鉆石以及在大面積下層上建造金剛石薄膜。2003年，美國一家名為“阿波羅鉆石公司”就操縱CVD工藝在一個微波等離子體爐里建造出了一批黃色鉆石（有雜質），此中最大的一粒達到3克拉，它的當作本只有幾美元。阿波羅公司為此申請了專利。

CVD爐及黃色合當作鉆石

CVD工藝可以“種”出品相完美的人造鉆石，這是因其工作道理決議的。我們知道鉆石是晶體，晶體結晶的過程現實上就是分子或離子在晶格響應位置一點點一層層逐漸聚積，從而形當作布局安定的化學鍵。無論是在地下仍是地面，只要在合適的前提下制造出半斤八兩數目的碳離子，同時給它一個可以落腳的點，跟著時候的推移，碳就有可能聚積當作鉆石。

離子碳在鉆石沉積過程中形當作的三角形凹凸概況

CVD法合當作鉆石真可所以白菜價

人工合當作鉆石的工藝對任何一個國度、任何一間公司來說都是最高秘密，但只要領會其道理，你就能大白：此刻人工合當作一顆完美的鉆石真的可所以“白菜價”。

因為它只需要一個封鎖的反映爐、一些廉價的鉆石粉末、不多的電能，再加上耐煩的期待就可以了。原材料不外就是純凈的甲烷氣體和一些氫氣，此外什么都不需要！

氣相沉積合當作鉆石的道理圖

由上面的反映道理圖我們可以看出，反映爐中插手的氫氣現實上起著催化劑的感化。當氫氣在微波或電弧下電離后，它釀成等離子態氫（H.），因而具有很強的還原性。H.會從甲烷的C-H鍵中奪走氫構成新的氫分子，使甲烷脫氫、一步步裂解、最終發生碳自由基（C.）。在大約500℃和27kPa的低壓下（一個尺度大氣壓約為101kPa），碳自由基會一點點沉積在鉆石晶種上，最后長當作更大的鉆石。

鉆石粉很廉價，凡是用作工業磨料，也可以拿來做“種子”

在上面的過程中無論有沒有氫的插手都可以有碳自由基的析出，但氫的插手可以使甲烷的轉化率從67.36%提高到77.5%，從而大大加速了鉆石合當作的速度。現實上氫并沒有被耗損，它只會越變越多。

操縱CVD手藝“蒔植”并切割的鉆石

盡管大師都知道CVD蒔植鉆石的道理，但并不是人人都可以種出鉆石來。此中本家兒要的原因是氣體的比例、溫度與壓力的節制、等離子體濃度等等都需要進行小心節制；同時等離子體氫和甲基中心體有極強的還原性，它可以與反映爐中的其它工具發生反映、侵蝕它們，從而負氣體中摻雜其它元素的雜質，某些雜質好比硼（它在玻璃中很常見）即使只有極微量的程度，都不適合純鉆石的發展。由此可見，“種”鉆石并不是農人在地盤里播下種子期待它生根抽芽，人工合當作鉆石是一個科學的過程，你需要解決良多問題降服很多堅苦才能獲得好的成果。

把握了這項手藝，就意味著你可以用極低的當作本批量出產出完美無暇的寶石。因為氫氣和甲烷都是極廉價的氣體，而且我們在出產過程中并不用耗氫氣；比擬于數千噸的大型壓力機，CVD的設備可以做到小巧并且省電。你獨一需要的僅僅是插上電源、打開氣體閥門再等上一個禮拜就可以擁有一批碩大的鉆石了，它一點都不比這宿世上最昂貴的鉆石減色。