沈臻懿

太陽系中的“鉆石雨”離我們過于遙遠(yuǎn)，就目前而言，人們根本無法深入天王星、海王星，更無法從內(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”般的過程，才讓原本烏黑的碳塊結(jié)晶為通透的鉆石

從“天然鉆石”到“培育鉆石”

長期以來，鉆石都被視作奢華的象征、愛情的信物，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，還為持有者帶來了恒久的價值。不過，鉆石高昂的價格，也令不少人望而卻步。

鉆石是一種無色晶體，由碳元素構(gòu)成，在化學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域中被稱之為金剛石。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)時間也尤為漫長，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”般的過程，才讓原本烏黑的碳塊結(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，加之開采、加工成本的高昂，使得其價格一直居高不下。于是，有人不禁會問，有沒有產(chǎn)量更高且可作為天然鉆石的“平替”產(chǎn)品呢？對于這一問題，天文科學(xué)家可能會告訴你，太陽系中的天王星和海王星上正下著源源不斷的“鉆石雨”！被稱為“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)家們通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M證明，兩個行星內(nèi)部區(qū)域的極端環(huán)境，會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，太陽系中的“鉆石雨”離我們過于遙遠(yuǎn)。就目前而言，人們根本無法深入天王星、海王星，更無法從內(nèi)部取回海量鉆石。但隨著科技的發(fā)展，一種通過實(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，則絕對是科技發(fā)展的奇跡。種下一顆“種子”，它將長出一顆鉆石，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似名稱。這些名稱的由來都說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。簡單來說，培育鉆石可以稱之為人造鉆石，且是實(shí)打?qū)嵉摹罢驺@石”。無論是天然鉆石，還是培育鉆石，都適用“4C標(biāo)準(zhǔn)”，即克拉重量、凈度、色澤、切工來評判。同樣品質(zhì)的培育鉆石，其價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)周時間就可以誕生。實(shí)驗(yàn)室條件下，用來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）從名稱上就可以看出，其主要是通過模擬天然鉆石在地球深處形成時的高溫高壓環(huán)境來進(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”過程主要可以分解為兩個階段，即原料制備階段和鉆石生長階段。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。鉆石生長階段中，已經(jīng)形成的晶核會不斷成長并形成完整的鉆石晶體。通過調(diào)整溫度、壓力等參數(shù)，還可以對鉆石的“成長”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。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。該過程中，板狀晶體常常會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，整個生長過程一般需要3周左右時間。CVD培育出的合成鉆石，其培育周期雖略長，成本也因需要控制溫度、氣體壓力、流量等多個參數(shù)而相對較高，但其經(jīng)過后續(xù)處理后，可接近無色。切磨成寶石級的無色CVD培育鉆石的凈度，甚至可超過天然鉆石！

實(shí)驗(yàn)室培育鉆石的技術(shù)優(yōu)勢

實(shí)驗(yàn)室培育鉆石的技術(shù)優(yōu)勢，除可作為寶石裝飾外，未來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)上稱為金剛石的鉆石，是人們已知的最好材料之一。通過實(shí)驗(yàn)室人工培育的鉆石，不僅是無堅(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。

對于天然鉆石而言，其礦址尤為難選，開采過程更會造成土壤侵蝕、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，開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格顯然更具性價比。由于培育鉆石在顏色、尺寸等方面具有相當(dāng)?shù)目煽匦?，還可滿足消費(fèi)者的個性化定制需求。

編輯：黃靈? ? yeshzhwu@foxmail.com