中科院用简略办法造出人工钻石本钱只需市场价1/6

从甲烷气体中割裂出的碳原子沉积在“种子钻石”上，成长速度可达每小时0.007毫米，依照这个速度，一星期就能够“培养”出一颗1克拉巨细的钻石，能够说又大又廉价。

近来，在“我国科学院宁波资料技能与工程研讨所科技立异创业汇报会”上，一项重要的科研效果招引了媒体的目光，连中央电视台财经频道都对这项技能进行了报导。是什么效果这么受重视？本来这项技能与钱有关——这次发布的是一种人工钻石的技能。

图：中央电视台财经频道报导截图

晶莹剔透的钻石，和石墨的成分并无二致

关于钻石，有一句简直众所周知的广告语：“钻石恒久远，一颗永撒播。”钻石作为一种十分贵重的首饰，标志着纯真的爱情。

但从物理学的视点来说，钻石是一种碳单质晶体（晶体，即有固定的形状与熔点），其成分和煤炭、石墨并无二致。不过，尽管咱们日子中看到的煤炭、石墨都是黑色的，但钻石却一点也不黑，它是通明的。这是由于钻石作为一种晶体，其内部的电子有一种特别的能带结构，这种结构决议了它不会吸收可见光的能量，因而可见光能够穿过整个钻石，使得钻石呈现出通明的性质。

钻石的这种晶莹剔透的特性，加上它的坚固，以及稀有性，所以在日子中成了一种定情信物，得到了很多女人的喜爱。

但它的实质仍是碳原子，和铅笔芯中的石墨相同，没什么稀罕的。只不过在石墨中，碳原子的摆放结构是一种平面结构；而在钻石中，碳原子的摆放结构是一种四面体结构。这使得它们一个软、一个硬，一个黑、一个通明。

图：不同的原子摆放，让钻石（左）和石墨（右）表现出彻底不同的性质

那么，钻石的这种结构，在自然界中是怎样构成的呢？

高温高压的环境，构成天然的钻石

天然的钻石一般是在火山爆发的进程中来到地球外表的，一开端它在地球深处的高温高压环境下构成，然后被岩浆带到地球的外表。大部分钻石的构成时刻差不多与地球的年岁相同陈旧。比方南非出土的一些钻石年纪都有45亿年左右，而地球的年纪也只要46亿年。这说明这些钻石在地球诞生后不久便开端在地球深处结晶。

别的，当陨石碰击地上时，瞬间发生的高温高压，也有利于钻石的构成。

正由于天然钻石是在自然环境中构成的，所以在它构成的进程中，常常会有其他的元素稠浊进来，这些杂质元素改变了钻石的能带结构，使得有些天然钻石不彻底通明，而是呈现出特定的色彩。含不同杂质的钻石色彩也不相同，比方有的钻石有一点点粉红色，有的钻石有一点天蓝色，还有的钻石呈浅黄或金黄色。

图：钻石能够有不同的色彩

在自然界中，98%的钻石都是含氮元素较多（0.1-0.3%）的钻石（称为Ia型钻石），剩余的是含氮较少（称为Ib型）或不含氮（称为II型）的钻石。

而人工钻石一般都是Ib型钻石或许II型钻石，也便是含氮较少或不含氮的钻石。

用简略试验办法，造出“又大又廉价”的钻石

在最近的大新闻中，我国科学院宁波资料技能与工程研讨所功用碳素资料试验室的研讨团队，在试验室仅花了一周时刻就培养出了大钻石，这项技能引起了媒体的重视。由于用该技能培养的钻石本钱只要市场价格的1/6，能够说具有“一本万利”的商业潜质。

那么，这种人工钻石是怎样造出来的呢？

首要，人工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发生，也不需要火山喷射或许陨石撞地球这样的极点事情。它是在地上试验室中的温文环境下长出来的，其实质便是一般的晶体成长办法，称为“化学气相沉淀法”（简称CVD办法），英文全称Chemical Vapor Deposition。

它的操作进程是以一小块钻石作为母石（“种子钻石”）放进反应炉中，然后在反应炉中充溢甲烷，随后通电。之后甲烷分子被电离，构成等离子体。这个等离子体中包含了很多碳原子，它们像下雨相同不断累积到钻石母晶上，通过一层层累积，最终就构成了由纯碳原子组成的人工钻石。

从甲烷气体中割裂出的碳原子沉积在“种子钻石”上，成长速度能够到达每小时0.007毫米。依照这个速度，在试验室环境下，一星期就能够“培养”出一颗1克拉巨细的钻石，功率是比较高的。这种办法能够把钻石做到10克拉的巨细，整个进程出品的钻石可谓“又大又廉价”。

图：试验室中造出的钻石，中央电视台财经频道

人工钻石 vs 天然钻石，并没有什么差异

尽管人工钻石与天然钻石根本没什么差异，但由于心思原因，有很多的钻石顾客以为人工钻石不是“真实的钻石”。很多人甘愿花大价钱去买天然钻石，也不愿意花更少的钱去买人工钻石，这是由于他们内心深处觉得“人工钻石是廉价品”，——这会让他们的爱情打折扣。

可是，问题的关键在于，一般人很难用肉眼分辩出人工钻石与天然钻石的差异。实际上这两种钻石的差异很小，连用科学仪器都很难分辩。一般情况下，能够用X射线荧光光谱仪等设备对钻石进行检测，但现在并不存在一个固定的判据能够差异出人工钻石与天然钻石，所以这种检测其实也只能给出一些参考性的定见。

并且，除了能够制成各类钻石饰品外，钻石还可用于制作激光器、雷达等精密仪器，甚至在物理研讨中也常常用到钻石，比方最近美国的物理学家在研讨高温超导资料的时分，为了得到几百万个大气压的压强，就用两块钻石彼此对顶来发生巨大的压力。所以，就算不是用于制作奢侈品，人工钻石降低了钻石的价格，关于工业、科研中的使用也是十分有利的。

图：用两块钻石对顶发生的压强，可高达数百万个大气压

作者 | 张华 北京师范大学物理系硕士

审稿 | 赵峥 北京师范大学物理系教授

责编 | 高佩雯

文章由腾讯科普“科普我国头条创造与推送项目”团队推出

转载请注明来自科普我国