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科普·怎么合成人造钻石?人工合成的钻石是真的

admin 人造钻石 2020年10月08日

  钻石是自然矿物当中最坚硬的,所以被用来象征爱情的坚定。钻石的形成相当不容易,要在地心承受热力及压力,经过几千万年,才能把碳化物转化成钻石,还要等待时机,藉由火山爆发或其他自然地心变动,才能将它由地心带上地表,因此非常稀有。

  钻石的组成引起科学家的兴趣。西元1796 年,英国化学家谭能特(Smithson Tennant, 1761-1815) 发现等重量的木炭与钻石经过燃烧会产生等体积的二氧化碳气体,因而证明钻石与木炭同样是碳元素的组成物,只是两者外型不同而已。这项实验结果发表后震惊学术界,吸引了不少科学家争相投入研究并且合成钻石,但此后的150 年内并没有任何一位科学家成功合成钻石。

  钻石与石墨(常见用途为铅笔笔心)两者均是由碳原子组成,特性却有天壤之别,其主要差异来自于原子排列方式不同。即使相同的元素组成,只要排列方式不同,特性就不同。

  换句话说,如果能够将石墨进行重新排列,就能够将低价的石墨变成闪闪发亮的钻石,这可能会比找到失落的宝藏更令人振奋。

  如图中(A)、(B) 所示,石墨的结构为平面的层状排列,而钻石则为三维度的立体排列。

  另外,在上图中可以看到,石墨上的每一个碳原子周围有三个碳原子相接邻(专业的说法称为「配位」),也就是三配位;而在钻石当中,则是每一个碳原子为四配位。

  换句话说,如果要将石墨转化成钻石,最主要的部分就是碳原子配位数的改变。而这样的改变涉及结构的重组,需要很大的能量。

  那么有没有办法把廉价的石墨转化成昂贵稀有的钻石呢?可以我们先来了解钻石在自然界中是如何形成的:

  钻石在地球深处约5 万大气压力和摄氏1,200 度以上的条件生成后,经由火山喷出,快速冷却;但若冷却缓慢、停留时间够长,钻石就有可能转化成石墨。

  在1954 年圣诞节前,美国通用电器公司以高压高温法(High Pressure and High Temperature, HPHT) 在70,000 大气压及摄氏1,600 度的环境之下将石墨转化为钻石,合成出第一颗人造钻石。但这颗钻石很小,只有0.15 mm ,距离量产还相当遥远。

  在此合成的过程中,将石墨置于熔融状态的铁、钴、镍当中,使石墨也处于熔融状态,可以进行重排并且催化反应的进行。这样的环境提供了石墨转化为钻石所需要的能量。在此情形之下,层状石墨(如下图(a))。仍然为三配位,渐渐地有少数碳与其他层间的石墨形成四配位,局部破坏了原有的石墨结构。当反应继续进行下去,有愈来愈多的碳形成四配位的碳(如下图(d)),最后形成了钻石的结构。

  前述高压高温法这样制造钻石方式过程太过缓慢,无法满足商业需求。于是到了1960 年代,又发展出化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)。

  经过改良且适合用于量产的化学气相沉积法,是先将一颗小小的钻石「核心」放入真空环境去除杂质,然后科学家往里注入温度高达摄氏3,000 度的甲烷和氢气,这些高温气体会裂解生成带电荷离子体,而从甲烷裂解物中释放出碳原子。碳离子会沉积在「核心」表面,并且复制原来放进去的天然小钻石核心的结构继续成长,以每小时0.006 公厘的速度生长,一颗1 克拉钻石可以在几天内生长完成(如下图所示)。

  目前生产人造钻石的公司Diamond Foundry ,则是将高压高温法(HPHT) 与化学气相沉积法(CVD) 两者混合使用,但实际制造方法因具有高度商业价值所以极为保密。

  在实验室长出来的人造钻石跟天然钻石的化学结构完全相同,它们有相同的物理特性,甚至钻石鉴别专家仅凭肉眼也无法分辨。也因为没有开采的昂贵成本,这些人造钻石的市场售价能比天然钻石低20% 到40% 不等。

  所以当你看到人造钻石的时候,千万不要说它是假的,因为它可能比天然钻石更纯、杂质更少。


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