實(shí)驗(yàn)室“種出”的鉆石

沈臻懿

太陽(yáng)系中的“鉆石雨”離我們過(guò)于遙遠(yuǎn)，就目前而言，人們根本無(wú)法深入天王星、海王星，更無(wú)法從內(nèi)部取回海量鉆石

20億到30億年前的碳元素在地幔深處150到200公里處的高溫、高壓作用下，經(jīng)受了“煉獄”般的過(guò)程，才讓原本烏黑的碳?jí)K結(jié)晶為通透的鉆石

從“天然鉆石”到“培育鉆石”

長(zhǎng)期以來(lái)，鉆石都被視作奢華的象征、愛(ài)情的信物，并且是訂婚戒指制作材料的首選。其不僅是所有寶石的頂流，還為持有者帶來(lái)了恒久的價(jià)值。不過(guò)，鉆石高昂的價(jià)格，也令不少人望而卻步。

鉆石是一種無(wú)色晶體，由碳元素構(gòu)成，在化學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域中被稱(chēng)之為金剛石。由于碳原子晶格緊密排列的結(jié)構(gòu)極為牢固，使得鉆石成了目前地球上已知最為堅(jiān)硬的天然寶石，莫式硬度系數(shù)達(dá)到了10。天然鉆石的形成條件極其嚴(yán)苛，歷經(jīng)時(shí)間也尤為漫長(zhǎng)，是20億至30億年前的碳元素在地幔深處150至200公里處的高溫、高壓作用下，經(jīng)受了“煉獄”般的過(guò)程，才讓原本烏黑的碳?jí)K結(jié)晶為通透的鉆石。隨著火山的爆發(fā)，鉆石得以被巖漿攜帶至地表。

天然鉆石形成條件的嚴(yán)苛，加之開(kāi)采、加工成本的高昂，使得其價(jià)格一直居高不下。于是，有人不禁會(huì)問(wèn)，有沒(méi)有產(chǎn)量更高且可作為天然鉆石的“平替”產(chǎn)品呢？對(duì)于這一問(wèn)題，天文科學(xué)家可能會(huì)告訴你，太陽(yáng)系中的天王星和海王星上正下著源源不斷的“鉆石雨”！被稱(chēng)為“冰巨星”的天王星、海王星，主要由水、甲烷以及氨氣所組成?？茖W(xué)家們通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M證明，兩個(gè)行星內(nèi)部區(qū)域的極端環(huán)境，會(huì)分解上空的碳化合物形成碳原子，并最終壓縮形成鉆石后像雨滴般降落。不過(guò)，太陽(yáng)系中的“鉆石雨”離我們過(guò)于遙遠(yuǎn)。就目前而言，人們根本無(wú)法深入天王星、海王星，更無(wú)法從內(nèi)部取回海量鉆石。但隨著科技的發(fā)展，一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)室“種植”培育鉆石的技術(shù)，或許能成為代替天然鉆石開(kāi)采的更優(yōu)選擇。

實(shí)驗(yàn)室中“種出”真鉆石

天然鉆石的形成，實(shí)現(xiàn)了“化煤為鉆”的蛻變，稱(chēng)得上是大自然的奇跡。但能夠與之相媲美的培育鉆石，則絕對(duì)是科技發(fā)展的奇跡。種下一顆“種子”，它將長(zhǎng)出一顆鉆石，甚至是一顆更大的鉆石！培育鉆石，有著諸如人造鉆石、人工鉆石、實(shí)驗(yàn)室合成鉆石、實(shí)驗(yàn)室制造鉆石等多種類(lèi)似名稱(chēng)。這些名稱(chēng)的由來(lái)都說(shuō)明培育鉆石并非在自然界中天然形成，而是基于實(shí)驗(yàn)室或工廠環(huán)境所“誕生”的。

培育鉆石雖然是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)物，但并不同于鋯石、莫桑石等鉆石仿制品。其化學(xué)成分、物理特性、光學(xué)性質(zhì)以及晶體結(jié)構(gòu)和天然鉆石完全相同。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，培育鉆石可以稱(chēng)之為人造鉆石，且是實(shí)打?qū)嵉摹罢驺@石”。無(wú)論是天然鉆石，還是培育鉆石，都適用“4C標(biāo)準(zhǔn)”，即克拉重量、凈度、色澤、切工來(lái)評(píng)判。同樣品質(zhì)的培育鉆石，其價(jià)格僅僅只有天然鉆石的三分之一左右。

科學(xué)技術(shù)的加持下，原先需要?dú)v經(jīng)數(shù)百萬(wàn)年甚至數(shù)十億年才能形成的鉆石，現(xiàn)在只需要在實(shí)驗(yàn)室中數(shù)周時(shí)間就可以誕生。實(shí)驗(yàn)室條件下，用來(lái)制造培育鉆石的技術(shù)主要有高壓高溫法（HPHT）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）等。

高壓高溫法（HPHT）從名稱(chēng)上就可以看出，其主要是通過(guò)模擬天然鉆石在地球深處形成時(shí)的高溫高壓環(huán)境來(lái)進(jìn)行合成。該技術(shù)的關(guān)鍵在于高溫高壓設(shè)備、碳源以及催化劑。在1500攝氏度以及極高壓力的作用下，作為碳源的高純度石墨會(huì)發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，并形成鉆石的晶格結(jié)構(gòu)。這一實(shí)驗(yàn)室的“種植”過(guò)程主要可以分解為兩個(gè)階段，即原料制備階段和鉆石生長(zhǎng)階段。在第一階段中，需要將碳源和催化劑混合后，置入高溫高壓設(shè)備內(nèi)。隨后，設(shè)備提供的溫度及壓力會(huì)轉(zhuǎn)變碳源的晶體結(jié)構(gòu)，催化劑則促進(jìn)了該作用的變化。鉆石生長(zhǎng)階段中，已經(jīng)形成的晶核會(huì)不斷成長(zhǎng)并形成完整的鉆石晶體。通過(guò)調(diào)整溫度、壓力等參數(shù)，還可以對(duì)鉆石的“成長(zhǎng)”速度和晶格質(zhì)量予以人為控制。通常情況下，培育一顆10克拉的合成鉆石毛坯僅需要2周左右的時(shí)間。除了合成鉆石外，那些品質(zhì)較低的天然鉆石，亦可借助HPHT技術(shù)處理來(lái)提升凈度和色澤。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）“種植”，即是讓鉆石得以在含碳?xì)怏w和氫氣的混合物中生長(zhǎng)。該技術(shù)較之于HPHT更新，科學(xué)家能夠在中等溫度以及較低壓力下進(jìn)行鉆石的合成。CVD法需要用到薄片狀的晶種來(lái)作為“種子”，含碳?xì)怏w在能量源的作用下被分解，碳原子即逐漸沉積到晶種之上。該過(guò)程中，板狀晶體常常會(huì)形成黑色石墨的粗糙邊緣，這就需要每隔幾天將鉆石移除，拋光表面任何非鉆石碳后，再將其重新置入以繼續(xù)生長(zhǎng)，整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程一般需要3周左右時(shí)間。CVD培育出的合成鉆石，其培育周期雖略長(zhǎng)，成本也因需要控制溫度、氣體壓力、流量等多個(gè)參數(shù)而相對(duì)較高，但其經(jīng)過(guò)后續(xù)處理后，可接近無(wú)色。切磨成寶石級(jí)的無(wú)色CVD培育鉆石的凈度，甚至可超過(guò)天然鉆石！

實(shí)驗(yàn)室培育鉆石的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)室培育鉆石的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，除可作為寶石裝飾外，未來(lái)更為廣闊的空間還在于工業(yè)應(yīng)用和環(huán)境保護(hù)等方面。工業(yè)上稱(chēng)為金剛石的鉆石，是人們已知的最好材料之一。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室人工培育的鉆石，不僅是無(wú)堅(jiān)不摧的“工業(yè)利齒”，還是散熱系數(shù)極佳的器件材料，甚至還可用于制造宇航員的防輻射面罩。

對(duì)于天然鉆石而言，其礦址尤為難選，開(kāi)采過(guò)程更會(huì)造成土壤侵蝕、土地破壞、水污染等地球生態(tài)環(huán)境的影響。實(shí)驗(yàn)室培育鉆石的出現(xiàn)，為減少天然鉆石開(kāi)采和環(huán)境保護(hù)提供了一種可行的替代方案。據(jù)相關(guān)環(huán)保統(tǒng)計(jì)，開(kāi)采天然鉆石所形成的有害碳排放量，達(dá)到了每克拉5.7萬(wàn)克，而實(shí)驗(yàn)室培育鉆石僅為每克拉0.028克。

此外，從消費(fèi)者角度而言，實(shí)驗(yàn)室培育鉆石僅為天然鉆石三分之一左右的價(jià)格顯然更具性?xún)r(jià)比。由于培育鉆石在顏色、尺寸等方面具有相當(dāng)?shù)目煽匦?，還可滿(mǎn)足消費(fèi)者的個(gè)性化定制需求。

編輯：黃靈? ? yeshzhwu@foxmail.com