出品：科普中國制作：陳健（中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所）監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心眩目的外表和堅(jiān)硬的內(nèi)心似乎使得鉆石一開始就與"昂貴"一詞相聯(lián)系。早在公元前四世紀(jì)，印度就開始交易鉆石。在當(dāng)時(shí)，鉆石被當(dāng)作寶石或者護(hù)身符，

出品：科普中國

制作：陳健（中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

眩目的外表和堅(jiān)硬的內(nèi)心似乎使得鉆石一開始就與"昂貴"一詞相聯(lián)系。早在公元前四世紀(jì)，印度就開始交易鉆石。在當(dāng)時(shí)，鉆石被當(dāng)作寶石或者護(hù)身符，而有限的鉆石產(chǎn)量?jī)H僅能夠滿足印度富裕階層這一有限市場(chǎng)。到了1947年，戴比爾斯創(chuàng)作出經(jīng)典廣告語"鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永留傳"，鉆石成為永恒承諾的象征，走向國際市場(chǎng)。

A："鉆石沒什么別的缺點(diǎn)，就是太貴了"

B："貴難道不是你的缺點(diǎn)嗎？"

C："試著撕開鉆石華麗的營銷包裝，你會(huì)發(fā)現(xiàn)貴可不是它唯一的缺點(diǎn)！"

再怎么堅(jiān)硬還不是個(gè)"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(jiān)硬的物質(zhì)。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(huì)慢慢消失不見（熱力學(xué)上碳在空氣中會(huì)氧化；動(dòng)力學(xué)上碳在聚光的高溫下會(huì)加快反應(yīng)速度）。這是因?yàn)楫?dāng)陽光聚焦在鉆石上的一點(diǎn)，溫度達(dá)到鉆石的燃點(diǎn)時(shí)，鉆石燃燒變成了二氧化碳?xì)怏w。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)鉆石在純氧中燃點(diǎn)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(yàn)它。

鉆石雖然堅(jiān)硬，但是它還怕撞擊？沒錯(cuò)，鉆石本身很堅(jiān)硬，但往往越是堅(jiān)硬的物質(zhì)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(qǐng)不要帶著"嬌貴"的鉆石做劇烈的活動(dòng)，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(xué)物質(zhì)。就如同藍(lán)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(xiàn)不同的形態(tài)——液體水、固態(tài)冰和氣態(tài)水蒸氣，C元素在不同的溫度和壓力下具有不同的形態(tài)表現(xiàn)：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(tài)或者氣態(tài)C。

△不同溫度和壓力條件下水的形態(tài)和碳的形態(tài) 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(xué)元素C的同素異形體，只是原子結(jié)構(gòu)不同，鉆石為穩(wěn)定的四面體結(jié)構(gòu)，而石墨為層狀結(jié)構(gòu)，兩層之間可以任意滑動(dòng)。不同的原子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致兩者完全不同的物理化學(xué)性質(zhì)：鉆石是地球上硬度最高的物質(zhì)，其硬度被定義為莫氏硬度10；石墨為地球上最軟的物質(zhì)，其莫式硬度為1。這就好比小時(shí)候喝的加糖精的水，一點(diǎn)點(diǎn)會(huì)非常甜，而量再多一點(diǎn)的話就變得非常的苦，在兩個(gè)極端間轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jù)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(huì)變成鉆石。

在觸媒即催化劑的作用下，石墨轉(zhuǎn)化為鉆石的化學(xué)反應(yīng)的速率加快，所需的溫度和壓力條件也會(huì)降低。化學(xué)反應(yīng)就像是要穿越一片山區(qū)，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(yīng)更容易進(jìn)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(nèi)部的高溫高壓環(huán)境給了它形成的條件，3～4億年前的火山爆發(fā)，把它們推到了地球表面，而那時(shí)連恐龍都還沒有出現(xiàn)。但由于火山口的鉆石仍然十分稀少，鉆石的價(jià)格異常昂貴。然而隨著對(duì)鉆石的追求和熱愛持續(xù)增加，充滿智慧的人類終究找到了簡(jiǎn)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(diào)侃曰：稻草可變"黃金"。

目前人工合成鉆石的方法主要有：化學(xué)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(xué)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(chǎn)大顆粒鉆石為主，HPHT主要生產(chǎn)小碎鉆。

CVD法：以低分子碳?xì)浠衔铮–H4、C2H2、C6H6等）為原料所產(chǎn)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?xì)浠衔镫x解。在等離子態(tài)時(shí)，氫離子相互結(jié)合成的氫氣被抽真空設(shè)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(fù)電，在電場(chǎng)的引導(dǎo)下，帶正電荷的碳離子就會(huì)向通負(fù)電的襯底移動(dòng)，最后沉淀在襯底上，并按照鉆石晶格生長(zhǎng)規(guī)律在襯底上生長(zhǎng)出鉆石。其中以鉆石為襯底生長(zhǎng)鉆石的CVD方法也叫做外延生長(zhǎng)法，它按照鉆石籽晶的晶面參數(shù)不斷地堆積生長(zhǎng)，故生長(zhǎng)單晶鉆石必須用CVD外延生長(zhǎng)法。

目前通過CVD法合成的鉆石品質(zhì)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(xiàn)，與天然鉆石區(qū)分進(jìn)行簡(jiǎn)單的初步篩選。

HPHT法：模擬地殼底下的高溫高壓環(huán)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(tài)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(gè)大氣壓力，1400℃～2500℃，所有的石墨都會(huì)溶解到熔融了的金屬觸媒中，并轉(zhuǎn)變?yōu)楦烊汇@石成分與結(jié)構(gòu)幾乎一模一樣的鉆石。

就是一些專業(yè)的鑒定實(shí)驗(yàn)室也無法分辨HPHT鉆石與天然鉆石間的差別。最簡(jiǎn)單的方式是消費(fèi)者在購買鉆石時(shí)一定要索取世界權(quán)威證書，IGI鑒定證書都會(huì)在證書上和鉆石腰部注明該鉆石顏色經(jīng)過HPHT處理，所以消費(fèi)者在閱讀證書時(shí)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(jì)90年代開始蓬勃發(fā)展，進(jìn)入 21世紀(jì)以來，在世界合成鉆石領(lǐng)域占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位，2016年產(chǎn)量已接近200億克拉：同年國內(nèi)登記結(jié)婚的新人共有1133萬對(duì)，如果將這一年國內(nèi)產(chǎn)出的合成鉆石平均分配，每對(duì)新人能分到1800克拉。

中國目前合成鉆石的售價(jià)大約為天然鉆石的50%～70%，隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)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(jù)摩根士丹利的調(diào)研報(bào)告，到2020年，小顆粒合成鉆石的市場(chǎng)售價(jià)將達(dá)到同級(jí)別天然鉆石的50%，而大顆粒合成鉆石的售價(jià)有可能降到同級(jí)別天然鉆石的30%。摩根士丹利還預(yù)測(cè)，雖然目前合成鉆石的銷售額在全球市場(chǎng)中僅占1%，但隨著工藝質(zhì)量和鉆石尺寸的快速提升，合成鉆石可能會(huì)在2020年占據(jù)寶石市場(chǎng)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(xiàn)：

[1]王雪等，點(diǎn)石成金——人造鉆石的真相，大學(xué)化學(xué)，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(cái)經(jīng)社，人造金剛石對(duì)天然鉆石的巨大沖擊，超硬材料工程，2019，31（1）:51.

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