主页 > 人工合成钻石 > 实验室中「种」出钻石的具体原理如何?

实验室中「种」出钻石的具体原理如何?

admin 人造钻石 2020年07月29日

  我们都知道钻石是由“碳”所组成的。科学家相信自然界之中的钻石,是经过百万年的地层挤压以及地热影响才生成;并因为火山活动而重返地表。在地球内部,这个环境是高温高压,犹如一个炼炉般的过程中,由碳元素组成的结晶体经过数亿年,最后形成了天然钻石,再由火山喷发将其带到地表,这就是天然钻石的形成过程。

  反之,合成钻石则是在实验室中生成;技术上来说,天然钻即合成钻几乎一样,不过,你还是可以透过钻石的形成轨迹来发现一些“相异”的蛛丝马迹。市面上常见的合成钻方式又有二:一是高压高温(HPHT),另一个则是化学气相沉积法(CVD)。在高压高温法中,碳晶种被置入在一个可以制造出高达1,400℃左右的仪器中;这个温压将可以融化金属,而融化的金属液体将会溶解碳晶体,并将之固化为钻石。而在化学气相沉积法中,他们使用的是碳氢混合气体,并将这些气体放置在800℃左右的环境,让它们一层一层的沉积,形成钻石。

  你看到的那篇媒体报导其实是毫无商业价值的,因为Diamond Foundry公司已经贩售这个所谓的“未来钻石”,而Diamond Foundry又是用什么的制备方法呢?专家认为他们是将高压高温法与化学气相沉积法两者混合使用,这家新创的详细功法应该比较倾向“化学气相沉积法”,但使用了更高的温度。而用这个方法所制成的钻石,则跟天然钻一样“纯洁无瑕”,这家新创则声称“我们在道德伦理上,更为无瑕。”讲到这,是不是有让你回想到Leonardo DiCaprio本人曾主演过的写实电影《BloodDiamond》了呢?没错,这家公司正是Leonardo与其他十位亿万富翁一起投资了这家新创,而他们投资的原因很可能是因为这家新创扬言,可以在两周内种出上百颗达9克拉的钻石。他们会先准备若干晶种,这些晶种来自于真正的钻石(根据他们的公关,这也是他们跟其他合成钻公司不一样之处)。接着,他们用过热电浆在钻石种上更多原子,一层一层堆叠上去,直到他们形成钻石。据了解这些宝石透过高达8,000℃的化学反应生成;而这温度可是远超过太阳表面的5,500℃啊!

  我们就来详细介绍下“化学气相沉积法”。首先,用雷射从人造钻石或天然钻石上削下细小的薄片,这块薄片就好比是人造钻石的种子,雷射会让钻石薄片变黑,还要对这块钻石薄片抛光,在钻石薄片周围涂上树脂和化学剂,让钻石薄片完全固定在钢块上。

  将固定有钻石薄片的钢块旋接在螺纹杆上,放入带有钻石颗粒的转轮上,让钻石薄片与钻石颗粒接触,转轮旋转时会产生摩擦力,钻石是最坚硬的矿物,只有其它钻石能有效抛光钻石,前后差别非常惊人,钻石薄片表面会变得晶莹剔透。

  现在就可以开始培养了,用夹子将钻石薄片放在特制的金属底座上,它们之间留有生长所需的足够空间。

  用金属箱盖住它们,注入氢气和甲烷气体,机器内会增加压力,还将钻石薄片加热到1,000℃以上,甲烷会分解出碳原子,形成等离子体降落在钻石薄片上,沉淀结晶帮助它们长大。

  钻石能以每小时0.006mm的速度生长,两天时间就能获得周围包裹着石墨的钻石。

  但这些粗糙的钻石还需要加工才能发出光芒,在尖头钢棒上涂上树脂,将人造钻石粘在树脂上,通过不断旋转雷射会切削修整每个面,让人造钻石变得晶莹剔透。

  通过放大镜检查品质,还要放入另一个抛光转轮将钻石修剪成经典的钻石形状,就会让钻石更加闪亮夺目。

  HTHP法合成钻石,就是人为的模拟天然钻石的形成条件,使非金刚石结构的碳转化为金刚石结构的碳。

  钻石的晶体结构是1913年由W.L.Bragy 等测定出来,钻石大部分呈立方体结构,而石墨呈层状结构。

  石墨的碳原子分布在六角环上,每个为相邻的三个碳原子所围绕,相邻两层碳原子错位堆积,但是键力较弱(石墨具一组极完全解理)。

  在高温高压下,通过改变石墨碳原子的排列方式,使石墨结构可以转化钻石结构。

  钻石在常温常压下为亚稳定状态,钻石中C-C键要转变为石墨结构需要很大能量,所以钻石可以在常温常压下稳定存在。


人造钻石