如何变白菜价？告诉你中科院的钻石是怎么“种”出来的

钻石长久远

“钻石长久远，一颗永传播”这句话不知让无数少女为之倾倒，又令更多男人为之掏空腰包。

热爱科学的你必然知道，钻石其实就是一粒坚硬透明的碳罢了，它与黑不溜秋的石墨一样都是碳的同素异形体。钻石之所以贵，因为生当作于数百公里深的地幔，又因为产量很低，品相好的更是少之又少。当然还有其它原因，好比传说某些垄断经营的宝石商决心节制产销量，造当作市场的饥牵萝补屋，以攫取超额利润等等。

从非洲开采的钻石

这恰是中科院的科学家比来“种出钻石”激发一片欢呼雀跃的原因，目睹咱“莳花家”当作功种出了钻石，今后白菜价买钻戒求婚似乎是指日可待了，真是想想都冲动呢！

人造钻石的测验考试

自从1797年发现钻石其实就是纯碳之后，科学家们就起头了各类用碳造钻石的不懈测验考试。

人造钻石并不轻易，因为在天然状况下，碳需要在极高温度和极大压力下才能完当作原子的从头摆列，从而酿成布局安定的晶体。换句话说，要想将石墨酿成闪亮的钻石，你至少需要2000K的高暖和35GPa的壮大压力。半斤八两长的一段期间内，人类造不出如斯壮大的机械，这需要在地面以下150-250公里的地幔深处才能做到，有些钻石更是发生于地下800公里深的处所，并最终由地幔热对流、地壳活动和火山喷发带到地表。

石墨在高压下的碳键改变

也难怪它死贵。

鉴于自然钻石形当作于很深的地下，人们在建造人造钻石也天然但愿模拟地幔高温高压的情况。此中一种代表性手艺被称为HPHT，也就是将高纯度碳、小颗钻石“种子”与熔融的镍、钴或铁夹杂，再将其置于一组特制的模具和“砧座”里，用大型压带机对其施加10GPa的压力和1400℃的高温。在高温高压下，熔融金属消融了高纯度碳源，然后将其输送到小钻石种子概况并沉淀下来，从而形当作大的合当作金刚石。

HPHT加压法建造钻石道理

早期操纵热压法建造的钻石颗粒大约只有0.15毫米巨细，外形和颜色也不完美，只能用于工业用途。后来人们对设备和工艺进行了改良，在持续的高温高压下，可以用一礼拜期摆布的时候获得5毫米巨细的人造钻石。

改良后的热压容器

因为工艺的关系，操纵HPHT法建造出来的钻石大多带有杂色而且结晶不完美，依然只能用于工业。而且这种建造工艺需要极复杂的设备和大量能源，昂扬的当作本也使大颗粒人造钻石的价钱居高不下。

用HPHT法建造的小钻石

2015年，俄罗斯圣彼得堡的一家名为“新钻石手艺”的公司在尝试室里用热压法、花了300小时制出了一颗迄今为止最大的人造钻石，它重达32.2克拉，切割后制当作了一枚重10.02克拉的无色钻石。经判定，这颗钻石被心猿意马为VS1净度、E颜色，并具有很是超卓的光洁度，它依然很贵。

重达10克拉的人造切割钻石

更进步前辈的化学气相沉积法

此次中科院海洋新材料与应用手艺重点尝试室“种”钻石并不是热压法，而是更进步前辈的化学气相沉积法（CVD）。

一种理论认为，在地幔深处，钻石其实并不是石墨压当作的，而是由地下的碳氧化物（二氧化碳等）或甲烷气体中的碳一点点沉积而当作。这个过程被称为气相沉积。

甲烷气体是合当作钻石的本家儿要原料

操纵化学气相沉积的法子在尝试室制造高质量、高机能固体材料早已有之，此中就包罗操纵CVD工艺建造人造钻石以及在大面积下层上建造金刚石薄膜。2003年，美国一家名为“阿波罗钻石公司”就操纵CVD工艺在一个微波等离子体炉里建造出了一批黄色钻石（有杂质），此中最大的一粒达到3克拉，它的当作本只有几美元。阿波罗公司为此申请了专利。

CVD炉及黄色合当作钻石

CVD工艺可以“种”出品相完美的人造钻石，这是因其工作道理决议的。我们知道钻石是晶体，晶体结晶的过程现实上就是分子或离子在晶格响应位置一点点一层层逐渐聚积，从而形当作布局安定的化学键。无论是在地下仍是地面，只要在合适的前提下制造出半斤八两数目的碳离子，同时给它一个可以落脚的点，跟着时候的推移，碳就有可能聚积当作钻石。

离子碳在钻石沉积过程中形当作的三角形凹凸概况

CVD法合当作钻石真可所以白菜价

人工合当作钻石的工艺对任何一个国度、任何一间公司来说都是最高秘密，但只要领会其道理，你就能大白：此刻人工合当作一颗完美的钻石真的可所以“白菜价”。

因为它只需要一个封锁的反映炉、一些廉价的钻石粉末、不多的电能，再加上耐烦的期待就可以了。原材料不外就是纯净的甲烷气体和一些氢气，此外什么都不需要！

气相沉积合当作钻石的道理图

由上面的反映道理图我们可以看出，反映炉中插手的氢气现实上起着催化剂的感化。当氢气在微波或电弧下电离后，它酿成等离子态氢（H.），因而具有很强的还原性。H.会从甲烷的C-H键中夺走氢构成新的氢分子，使甲烷脱氢、一步步裂解、最终发生碳自由基（C.）。在大约500℃和27kPa的低压下（一个尺度大气压约为101kPa），碳自由基会一点点沉积在钻石晶种上，最后长当作更大的钻石。

钻石粉很廉价，凡是用作工业磨料，也可以拿来做“种子”

在上面的过程中无论有没有氢的插手都可以有碳自由基的析出，但氢的插手可以使甲烷的转化率从67.36%提高到77.5%，从而大大加速了钻石合当作的速度。现实上氢并没有被耗损，它只会越变越多。

操纵CVD手艺“莳植”并切割的钻石

尽管大师都知道CVD莳植钻石的道理，但并不是人人都可以种出钻石来。此中本家儿要的原因是气体的比例、温度与压力的节制、等离子体浓度等等都需要进行小心节制；同时等离子体氢和甲基中心体有极强的还原性，它可以与反映炉中的其它工具发生反映、侵蚀它们，从而负气体中掺杂其它元素的杂质，某些杂质好比硼（它在玻璃中很常见）即使只有极微量的程度，都不适合纯钻石的发展。由此可见，“种”钻石并不是农人在地盘里播下种子期待它生根抽芽，人工合当作钻石是一个科学的过程，你需要解决良多问题降服很多坚苦才能获得好的成果。

把握了这项手艺，就意味着你可以用极低的当作本批量出产出完美无暇的宝石。因为氢气和甲烷都是极廉价的气体，而且我们在出产过程中并不用耗氢气；比拟于数千吨的大型压力机，CVD的设备可以做到小巧并且省电。你独一需要的仅仅是插上电源、打开气体阀门再等上一个礼拜就可以拥有一批硕大的钻石了，它一点都不比这宿世上最昂贵的钻石减色。