人造钻石技术引关注，与钱有关，成分和石墨无异却透明无比

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近日，在“中科院宁波材料技术与工程研究所科技创新创业报告会”上，一项重要科研成果引起媒体关注。就连中央电视台财经频道也对这项技术进行了报道。到底是什么结果引起了如此多的关注呢？原来，这项技术与金钱有关——这次是人造钻石技术。

图：央视财经频道报道截图

晶莹剔透的钻石与石墨的成分相同

关于钻石，有一句几乎家喻户晓的广告语：“钻石恒久远，钻石恒久远”。钻石作为一种非常珍贵的珠宝，象征着纯洁的爱情。

但从物理角度来看，金刚石是一种碳元素晶体（晶体，即有固定的形状和熔点），其成分与煤、石墨没有什么区别。然而，虽然我们生活中看到的煤炭和石墨是黑色的，但钻石却一点也不黑色，它们是透明的。这是因为金刚石作为晶体，其电子内具有特殊的能带结构。这种结构决定了它不会吸收可见光的能量，因此可见光可以穿过整颗钻石，使钻石显得透明。

钻石晶莹剔透的特性，加上其硬度和稀有性，使其成为生活中的爱情信物，受到大批女性的青睐。

但它的本质仍然是碳原子，就像铅笔芯中的石墨一样，没什么奇怪的。只不过在石墨中，碳原子的排列结构是平面结构；在金刚石中，碳原子的排列结构是四面体结构。这样就形成了一种软的、一种硬的、一种黑色的、一种透明的。

图：不同的原子排列使得金刚石（左）和石墨（右）表现出完全不同的特性。

那么，金刚石的这种结构在自然界中是如何形成的呢？

高温高压环境形成天然钻石

天然钻石通常在火山喷发期间来到地球表面。它们首先在地球深处的高温高压环境中形成，然后被岩浆带到地球表面。大多数钻石的形成时间大约与地球一样古老。例如，南非出土的一些钻石约有45亿年的历史，而地球只有46亿年的历史。这表明这些钻石在地球诞生后不久就开始在地球深处结晶。

另外，当陨石撞击地面时，瞬间产生的高温高压也有利于钻石的形成。

由于天然钻石是在自然环境中形成的，因此在形成过程中经常会混入其他元素。这些杂质元素改变了钻石的能带结构，使得一些天然钻石不是完全透明的，而是呈现出特定的颜色。含有不同杂质的钻石有不同的颜色。例如，有的钻石带点粉红色，有的钻石带点天蓝色，有的钻石带点淡黄色或金色。

图：钻石有不同的颜色

自然界中，98%的钻石是含氮较多（0.1-0.3%）的钻石（称为Ia型钻石），其余的则含氮较少（称为Ib型）或不含氮（II型钻石）。

人造钻石一般为Ib型钻石或II型钻石，即含氮较少或不含氮的钻石。

用简单的实验方法制造“又大又便宜”的钻石

近期重磅消息，中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能碳材料实验室研究团队仅用一周时间就在实验室中培育出了大尺寸金刚石。这项技术引起了媒体的关注。由于采用该技术培育的钻石成本仅为市场价格的1/6，可以说具有“暴利”的商业潜力。

那么，这种人造钻石是如何制成的呢？

首先，人造钻石不需要像天然钻石那样在地球内部的高温高压条件下产生，也不需要火山爆发或陨石撞击地球等极端事件。它是在地面实验室的温和环境中生长的。其本质是一种普通的晶体生长方法，称为“化学气相沉淀法”（简称CVD法），英文全称Vapor。

其操作过程是将一小块钻石作为母石（“种子钻石”）放入反应器中，然后将反应器充满甲烷，然后通电。然后甲烷分子被电离，形成等离子体。这种等离子体中含有大量的碳原子，它们像雨一样不断地积聚在钻石母晶上。经过层层堆积，最终形成纯碳原子组成的人造钻石。

从甲烷气体中分解出来的碳原子沉积在“种子钻石”上，并能以每小时 0.007 毫米的速度生长。按照这个速度，一周就可以在实验室环境中“生长”出一颗1克拉的钻石，效率相对较高。这种方法可以使钻石尺寸达到10克拉，整个过程生产出来的钻石可谓“又大又便宜”。

图：实验室制造的钻石，央视财经频道

人造钻石与天然钻石，没有区别

虽然人造钻石与天然钻石基本没有区别，但由于心理原因，大量钻石消费者认为人造钻石不是“真钻石”。很多人宁愿花很多钱购买天然钻石，也不愿花更少的钱购买人造钻石。因为他们内心深处觉得“人造钻石是廉价货”，这会损害他们的爱情。

但问题的关键在于，普通人很难用肉眼分辨人造钻石和天然钻石的区别。事实上，两颗钻石之间的差异非常小，即使使用科学仪器也很难区分。一般来说，可以使用X射线荧光光谱仪等设备来检测钻石。但目前还没有固定的标准可以区分人造钻石和天然钻石，因此这种检测只能提供一些参考信息。观点。

而且，钻石除了被制成各类钻石首饰外，还可以用来制造激光、雷达等精密仪器。钻石甚至经常用于物理研究。例如，美国物理学家最近研究了高温超导材料。为了获得数百万个大气压的压力，两颗钻石相互推挤，产生巨大的压力。因此，即使不用来制造奢侈品，人造钻石也降低了钻石的价格，对于工业和科学研究方面的应用也非常有利。

图：将两颗钻石放在上面所产生的压力可高达数百万个大气压。

作者 |张华，北京师范大学物理学硕士

审稿人|赵峥，北京师范大学物理系教授