人造金剛石發(fā)展史及其教育價(jià)值

袁振東+杜衛(wèi)民

摘要：在17～18世紀(jì)，科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)金剛石和石墨都是碳的單質(zhì)，于是人類有了人造金剛石之夢(mèng)。由于20世紀(jì)前相關(guān)科學(xué)理論的發(fā)展尚不成熟，早期尋夢(mèng)者只能在迷茫中摸索。20世紀(jì)初熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的發(fā)展以及高溫高壓裝置的發(fā)明，使科學(xué)家最終成功合成金剛石。在化學(xué)教育中，讓學(xué)生了解人造金剛石的歷史，感受科學(xué)研究的復(fù)雜、曲折與艱辛；了解科學(xué)家的研究方法，提高科學(xué)素養(yǎng)；了解我國(guó)人造金剛石的發(fā)展史，增強(qiáng)民族自信心。

關(guān)鍵詞：人造金剛石；化學(xué)史；教育價(jià)值；科學(xué)素養(yǎng)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）12–0088–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

金剛石是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中的重要材料，其相關(guān)知識(shí)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容。由于天然金剛石不能滿足需要，科學(xué)家便研究開發(fā)人造金剛石。人造金剛石的研究過(guò)程曲折且漫長(zhǎng)，其中有成功也有遺憾。人造金剛石的發(fā)展史具有重要的教育價(jià)值。學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，須體會(huì)科學(xué)家在研究過(guò)程中的成功與失敗，從而提高科學(xué)素養(yǎng)。另外，學(xué)生應(yīng)該了解我國(guó)人造金剛石的發(fā)展史。

現(xiàn)行化學(xué)教科書中已經(jīng)出現(xiàn)介紹人造金剛石的欄目，如2012年人教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》第六單元在欄目“化學(xué)·技術(shù)·社會(huì)”中介紹了“人造金剛石和金剛石薄膜”[1]。該欄目著重介紹了20世紀(jì)80年代以來(lái)金剛石薄膜的技術(shù)開發(fā)和利用，但對(duì)人造金剛石發(fā)展史的介紹較為模糊，沒有確切時(shí)間和具體人物，也沒有我國(guó)相關(guān)情況的介紹。為體現(xiàn)人造金剛石發(fā)展史的教育價(jià)值，教師應(yīng)開發(fā)課程資源，提高教學(xué)質(zhì)量。值得注意的是，有些關(guān)于人造金剛石發(fā)展史的論文[2，3]或著作[4，5]中出現(xiàn)史料不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的現(xiàn)象。如果化學(xué)教師使用這樣的史料，后果可想而知。為此，本文擬深入考證人造金剛石的發(fā)展史，并分析其教育價(jià)值。

1 人造金剛石之夢(mèng)的形成

人工制造金剛石的設(shè)想源于人們對(duì)金剛石組成的認(rèn)識(shí)。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)貴重的金剛石與廉價(jià)的石墨都是碳的單質(zhì)，人造金剛石之夢(mèng)便自然地形成了。

在17～18世紀(jì)，人們?yōu)榱搜芯拷饎偸慕M成進(jìn)行了許多測(cè)試。從化學(xué)的角度，人們發(fā)現(xiàn)“金剛石的組成是碳元素”的證據(jù)就是金剛石燃燒后生成了二氧化碳。這其中涉及如下重要史實(shí)：誰(shuí)發(fā)現(xiàn)金剛石可以燃燒？誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了二氧化碳？誰(shuí)證明金剛石燃燒后生成了二氧化碳？誰(shuí)證明了金剛石和石墨都是碳的同素異形體？

金剛石的可燃性最初是由英國(guó)科學(xué)家牛頓（Isac Newton，1642～1727）提出的。1675年，牛頓通過(guò)比較光在金剛石和某些可燃液體中的折射現(xiàn)象，推斷“金剛石必定是可燃的”。隨后，英國(guó)科學(xué)家波義耳（Robert Boyle，1627～1691）根據(jù)金剛石在火焰中會(huì)發(fā)生變化的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，驗(yàn)證了牛頓的推斷。意大利科學(xué)家曾于1694年在佛羅倫薩科學(xué)院公開演示用大凸透鏡聚光燒毀金剛石的實(shí)驗(yàn)[6]。

二氧化碳是由英國(guó)愛丁堡大學(xué)的化學(xué)家布拉克（Joseph Black，1728～1799）發(fā)現(xiàn)的。1755年，布拉克發(fā)現(xiàn)石灰石煅燒及與酸作用時(shí)都放出等量的同一種氣體。在這種氣體中，蠟燭不能燃燒，麻雀和小鼠等會(huì)窒息而死。由于這種氣體是固定在石灰石中的，因此被命名為固定空氣（fixed air）。1774年，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧氣的法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫（AntoineLaurent de Lavoisier，1743～1794）進(jìn)一步把木炭與氧化汞或氧氣一起加熱，證明產(chǎn)物即是“固定空氣”，終于辨明了固定空氣是碳的氧化物[7]。此外，布拉克在研究中發(fā)現(xiàn)“固定空氣與石灰結(jié)合生成石灰石”。“他還通過(guò)管子呼氣到石灰水中，發(fā)現(xiàn)石灰水變渾濁，證明呼出的空氣中含有固定空氣”[8]。此后，“石灰水變渾濁”成了實(shí)驗(yàn)中判斷二氧化碳?xì)怏w存在的判據(jù)。

金剛石燃燒生成二氧化碳是由拉瓦錫發(fā)現(xiàn)的。1772年，拉瓦錫從一篇文章中得知在高溫下灼燒的金剛石消失了。他認(rèn)為空氣會(huì)對(duì)金剛石的燃燒有影響。為了證明這個(gè)觀點(diǎn)，拉瓦錫準(zhǔn)備了幾小塊金剛石，并用石墨稠膏把金剛石涂成小黑球，然后加熱。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小黑球很快就燒紅并開始發(fā)光。幾小時(shí)后，剝掉小球的涂料，發(fā)現(xiàn)金剛石完整無(wú)缺。拉瓦錫推測(cè)：金剛石同空氣結(jié)合在一起了[9]。隨后，他把金剛石放在用水密封的鐘罩內(nèi)，以大透鏡聚焦加熱發(fā)現(xiàn)：罩內(nèi)空氣減少了12%，金剛石的重量也減少了，當(dāng)以澄清的石灰水檢驗(yàn)密封用水時(shí)，出現(xiàn)了白色沉淀。由此說(shuō)明金剛石與木炭一樣燃燒時(shí)產(chǎn)生了二氧化碳，從而證明金剛石與木炭是同素異形體[10]。

1797年，英國(guó)化學(xué)家臺(tái)南特（Smithson Tennant，1761～1815）重復(fù)并擴(kuò)展了拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)。他通過(guò)燃燒金剛石和石墨釋放出等量氣體的事實(shí)，確信金剛石和石墨具有相同的化學(xué)組成[11]。至此，科學(xué)家弄清了金剛石和石墨都是碳的單質(zhì)，從而萌生了用石墨制造金剛石的想法。

從教育價(jià)值來(lái)看，以上化學(xué)史實(shí)可以讓學(xué)生形成以下認(rèn)識(shí)：（1）科學(xué)研究始于問題。科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)問題，在解決問題的過(guò)程中獲得新的認(rèn)知?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)金剛石與石墨都是由碳組成的晶體，從而使人造金剛石成為當(dāng)時(shí)的研究課題。（2）科學(xué)認(rèn)識(shí)是在曲折的積累過(guò)程中不斷進(jìn)步的。從對(duì)金剛石可燃性的認(rèn)識(shí)，到對(duì)燃燒產(chǎn)物的識(shí)別，最終使科學(xué)家弄清了金剛石與石墨是同素異形體，從此，人們就產(chǎn)生了人造金剛石的夢(mèng)想。

2 早期尋夢(mèng)者的失敗

早在19世紀(jì)20年代，很多人已經(jīng)相信金剛石是碳在高溫高壓環(huán)境下形成的[12]。由于金剛石的密度比石墨高55%，早期的尋夢(mèng)者認(rèn)為在高溫下對(duì)石墨加熱，使碳原子能夠自由運(yùn)動(dòng)以后，再對(duì)變熱的碳原子施加極高的壓力，將碳原子擠壓到緊密的結(jié)構(gòu)中去，便可以制成金剛石[13]。

1880年，蘇格蘭化學(xué)家漢萊（James Ballantyne Hannay，1855～1931）報(bào)告說(shuō)，他將石蠟、骨油和金屬鋰置于密閉鐵管中（也有材料說(shuō)在鐵罐中）高溫加熱，得到了“金剛石”。他認(rèn)為，在鋰與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成氫化鋰（LiH）的同時(shí)，高溫高壓下碳?xì)浠衔镝尫懦龅奶荚乜梢越Y(jié)晶出金剛石晶體。他自稱實(shí)驗(yàn)80多次，多數(shù)以爆炸告終。但他在沒有破裂的三根鋼管中發(fā)現(xiàn)了堅(jiān)硬、透明的微小顆粒，并認(rèn)為這就是金剛石[14]。當(dāng)時(shí)，他把12顆金剛石微晶送到英國(guó)博物館內(nèi)保存。endprint

后來(lái)，英國(guó)晶體學(xué)家朗絲黛爾（Dame Kathleen Lonsdale，1903～1971）利用X光結(jié)晶解析法對(duì)漢萊的金剛石進(jìn)行了檢測(cè)，確認(rèn)其中11顆都是天然金剛石，而不是合成的金剛石。為什么天然金剛石會(huì)出現(xiàn)在漢萊的實(shí)驗(yàn)中，有一種說(shuō)法是漢萊的助手擔(dān)心這種危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)會(huì)傷及自己和主人，就把一些天然的金剛石微粒放入反應(yīng)器內(nèi)，以便早日結(jié)束危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)[15]。

相比漢萊的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氟元素的法國(guó)化學(xué)家莫瓦桑（Henri Moissan，1852～1907）合成金剛石的實(shí)驗(yàn)更有影響。1892年12月13日，法國(guó)科學(xué)家弗里德爾（Charles Friedel，1832～1899）向法國(guó)科學(xué)院作了關(guān)于隕石研究的報(bào)告，他發(fā)現(xiàn)在大塊隕鐵中摻雜有微小的金剛石斑晶。莫瓦桑發(fā)現(xiàn)在鐵質(zhì)的隕石中確有金剛石存在，而在石墨中也發(fā)現(xiàn)有極微量的金剛石與之共生。這使莫瓦桑產(chǎn)生了合成金剛石的想法。

莫瓦桑從隕鐵里熔合了大量的碳的事實(shí)形成了初步的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想：先把鐵熔化，然后往里邊熔解碳。莫瓦桑用自己發(fā)明的電弧高溫爐（強(qiáng)電流通過(guò)石墨能產(chǎn)生3000℃的高溫）熔解鐵和蔗渣燒成的木炭。接下來(lái)把冷卻后的鐵塊放在鹽酸中長(zhǎng)時(shí)間地煮沸，直到鐵塊全都溶解。然而，在容器的底部剩下的是黑色沉淀，主要是石墨。通過(guò)對(duì)失敗原因的分析，他們認(rèn)為必須增大壓力。聯(lián)想到瓶里的水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的壓力會(huì)使瓶子破裂，莫瓦桑有了靈感：熔融態(tài)的鐵冷卻時(shí)體積增大會(huì)產(chǎn)生很大的壓力。讓熔融的鐵水迅速而均勻地冷卻時(shí)外表會(huì)形成一層堅(jiān)實(shí)的鐵殼，這層鐵殼把其余部分的鐵水嚴(yán)密地封起來(lái)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高壓。莫瓦桑與助手不斷摸索，合成出了一些色澤深暗的“金剛石”小顆粒。其中一顆最大的接近無(wú)色的小晶粒，直徑不足一毫米。1893年2月6日，莫瓦桑向科學(xué)院報(bào)告了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他的報(bào)告引起了轟動(dòng)[16]。

當(dāng)然，人們今天明白，鐵水冷卻產(chǎn)生的壓力十分有限，莫瓦桑合成的晶體應(yīng)該是以碳化硅（SiC）或尖晶石（MgAl2O4）[17]。盡管如此，莫瓦桑用鐵做助熔劑的觀念為后來(lái)人造金剛石技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。此外，天然碳化硅晶體的礦物學(xué)名稱“moissanite”就是為紀(jì)念莫瓦桑而命名的。

后來(lái)，英國(guó)的帕森斯（Charles A. Parsons，1854～1931）爵士重復(fù)研究了漢萊和莫瓦桑的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為前人失敗的原因均是由于壓力不夠。他從提高壓力著手，并試著在獵槍管中放置石墨，并把獵槍口封住。然后擊發(fā)子彈，期望以高速撞擊石墨的子彈產(chǎn)生的壓力制造金剛石。然而由于沒有足夠的溫度，他坦然承認(rèn)了自己的失敗[18]。通過(guò)長(zhǎng)期的研究，他認(rèn)為他和他前面的那些研究者，還沒有任何人在實(shí)驗(yàn)室中合成過(guò)金剛石[19]。

從教育價(jià)值看，應(yīng)該使學(xué)生通過(guò)了解早期尋夢(mèng)者合成金剛石的失敗認(rèn)識(shí)到：（1）化學(xué)家的研究面向未知，其研究途徑是不明確的、曲折的、艱辛的，往往伴隨著迷茫。（2）科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展受各種條件的限制，錯(cuò)誤是難免的。今天認(rèn)為是正確的認(rèn)識(shí)，以后仍有可能被證偽或進(jìn)一步發(fā)展?，F(xiàn)代化學(xué)教科書中的知識(shí)就是化學(xué)家在不斷修正錯(cuò)誤的過(guò)程中系統(tǒng)化簡(jiǎn)約化的結(jié)果。（3）無(wú)論是成功的化學(xué)家還是失敗的化學(xué)家，他們的研究精神都值得后人學(xué)習(xí)。（4）科學(xué)研究是求真的，不能造假。對(duì)于化學(xué)史中那些沒有毅力，畏懼困難，在實(shí)驗(yàn)中弄虛作假的研究者，必須予以批判。

值得注意的是，盡管莫瓦桑合成金剛石的失敗已逐漸成為共識(shí)，但仍有一些論文[20，21]和著作[22]在傳播莫瓦桑成功制造金剛石的錯(cuò)誤史料。例如，2016年出版的《探索科學(xué)之路：百年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)鉤沉》中談到：“1891年以后，莫瓦桑進(jìn)行純硼制造和人工金剛石的研究，他制得了當(dāng)時(shí)純度最高的單質(zhì)硼。他首先制得了人造金剛石，解決了當(dāng)時(shí)科學(xué)界最具濃厚興趣的課題，使人造鉆石成為現(xiàn)實(shí)，莫瓦桑也隨之聞名于世。[23]”因此，教師在應(yīng)用化學(xué)史作為課程資源時(shí)，須多看、多想，善于甄別，以免出現(xiàn)錯(cuò)誤。

3 人造金剛石之夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)

20世紀(jì)前的尋夢(mèng)者意識(shí)到人工合成金剛石需要高溫高壓，但在理論和技術(shù)兩方面還未能摸索出合適的條件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到合成金剛石既要思考熱力學(xué)問題（反應(yīng)的可能性），還要考慮動(dòng)力學(xué)問題（反應(yīng)速率）。

熱力學(xué)計(jì)算方法就是以溫度為橫坐標(biāo)，壓力為縱坐標(biāo)，建立石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的相圖。在圖上畫出一條由左下方向右上方延伸的近似的直線，在直線的下方是石墨穩(wěn)定區(qū)，在直線的上方是金剛石的穩(wěn)定區(qū)。若溫度和壓力正好處于直線上則是金剛石和石墨的平衡轉(zhuǎn)化點(diǎn)。1938年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的羅西尼（Rossini）和杰瑟普（Jessup）依據(jù)熱力學(xué)方法的計(jì)算，得出關(guān)于石墨和金剛石穩(wěn)定區(qū)域分界線的位置[24]。后來(lái)，皮爾曼（R. Berman）計(jì)算表明，在1200～1500K溫度范圍內(nèi)，要使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的壓力需要達(dá)到4.3×109～5.2×109Pa（4～5萬(wàn)大氣壓）[25]。

20世紀(jì)初，美國(guó)物理學(xué)家布里奇曼（Percy Williams Bridgman，1882～1961）發(fā)明了超高壓裝置。1946年，布里奇曼由于發(fā)明超高壓裝置和在高壓物理學(xué)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)獲得第四十六屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他的高壓設(shè)備是把兩個(gè)壓砧（Anvils）對(duì)壓。為增加壓力，他把砧面做得很小。他曾在室溫下達(dá)到了超過(guò)400000大氣壓的工作壓力，并多次嘗試合成金剛石，但沒有成功。他認(rèn)為失敗的原因是溫度較低，致使反應(yīng)速率低到可以忽略不計(jì)。他認(rèn)識(shí)到了進(jìn)入高溫區(qū)域的必要性，但他并沒有研發(fā)出能夠同時(shí)達(dá)到高溫和高壓的設(shè)備[26]。

布里奇曼合成金剛石的失敗表明，熱力學(xué)能幫助判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向及可能性，但生產(chǎn)實(shí)踐中須考慮動(dòng)力學(xué)問題。實(shí)踐證明，增壓降低反應(yīng)速率，而高溫能提高反應(yīng)速率?？傊?，從熱力學(xué)的角度看，要使金剛石在高溫下仍具有熱力學(xué)穩(wěn)定性，必須施以高壓；從動(dòng)力學(xué)角度看，高溫有利于反應(yīng)速率，高壓反而減速[27]。因此，人工合成金剛石需要尋找兼顧高溫高壓的最佳轉(zhuǎn)化條件。endprint

早在1941年，通用電氣（General Electric Company，簡(jiǎn)稱G. E.）、卡布倫登（Carborundum）以及諾頓（Norton）等公司同布里奇曼之間已有協(xié)議，一起研究金剛石的人工合成，但這種努力因戰(zhàn)爭(zhēng)而過(guò)早地終止了。然而，在近乎50萬(wàn)磅/平方英寸壓力下曾利用鋁熱反應(yīng)將石墨加熱到3000℃，為時(shí)幾秒鐘。在諾頓公司繼續(xù)進(jìn)行過(guò)一些工作，但顯然一直未予發(fā)表。

1951年，通用電氣公司組成了一個(gè)由H. A.內(nèi)拉德（Nerad）主持新的高壓金剛石小組。先后有物理學(xué)家邦迪（F. P. Bundy）和斯特朗（H. M. Strong）、物理化學(xué)家霍爾（H. T. Hall）和溫托夫（R. H. Wentorf）及工程師切尼（J. E. Cheney）和博文柯克（H. P. Bovenkerk）參加。他們改良了布里奇曼壓砧，使壓力在高溫的同時(shí)提高到接近100萬(wàn)磅/平方英寸。1953年，霍爾設(shè)計(jì)的“環(huán)帶式（belt）”裝置達(dá)到頂點(diǎn)，獲得成功。該裝置能夠同時(shí)達(dá)到300萬(wàn)磅/平方英寸和5000℃，還容許保持穩(wěn)定的條件達(dá)1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。

1954年12月16日，霍爾終于在一次實(shí)驗(yàn)中得到了金剛石，在以后的15天中，在一組27次的實(shí)驗(yàn)期間，有12次成功地制成了金剛石。12月31日由H伍德伯里（Woodbury）獨(dú)立進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)以及兩星期后當(dāng)霍爾不在的場(chǎng)合下又進(jìn)行的三次實(shí)驗(yàn)都成功地制得了金剛石。在第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，石墨中加入了硫化鐵（隕硫鐵），這是以迪拜羅谷（Canon Diablo）隕星中的金剛石-隕鐵硫的結(jié)合為依據(jù)的。在這一系列實(shí)驗(yàn)期間，霍爾發(fā)現(xiàn)鐵是需要的，但硫則不需要。此后幾個(gè)月，該小組研究了人工合成金剛石的各項(xiàng)技術(shù)細(xì)節(jié)，并于1955年首次以邦迪、霍爾、斯特朗及溫托夫的名字發(fā)表了報(bào)道，并申請(qǐng)專利。1957年通用公司開始金剛石的工業(yè)性生產(chǎn)。1972年，美國(guó)化學(xué)會(huì)授予霍爾金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)卤碚闷浒l(fā)明[28]。

值得注意的是，在通用公司獲得成功以前，瑞典斯德哥爾摩（Stockholm）的ASEA（Allamanna Svenska Elektriska Aktiebolaget）電氣公司的馮普拉頓（Baltzar von Platen）領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)小組1953年2月就成功研制出第一顆人造金剛石。他們的高壓設(shè)備的重要部分是把一個(gè)立方體均分成6個(gè)金字塔形狀的四角錐。把每個(gè)四角錐的尖端略微磨平后拼湊回去，中間部分就成為高溫高壓反應(yīng)室。再將整個(gè)立方體置于大壓力機(jī)中加壓。不同于通用公司用電阻加熱產(chǎn)生高溫，該公司使用燃燒劑（過(guò)氧化鋇加金屬鎂）加熱，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生高溫環(huán)境。由于反應(yīng)結(jié)束后高溫條件就不再持續(xù)，故合成金剛石的有效時(shí)間每次只有幾分鐘。他們的合成條件是2670℃，80～90kbar。該公司的目標(biāo)是生產(chǎn)大顆粒寶石級(jí)金剛石，但當(dāng)時(shí)合成的金剛石微晶尚未超過(guò)1毫米，因此他們自認(rèn)為不成功，也沒有申請(qǐng)專利。相比之下，通用公司認(rèn)識(shí)到小顆粒人造金剛石的工業(yè)應(yīng)用潛力，及時(shí)發(fā)表成果并獲得25年的生產(chǎn)專利制造權(quán)[29]。就這樣，首先合成金剛石的榮譽(yù)就屬于美國(guó)了。這也是科技史上的一件憾事。

我國(guó)的金剛石資源比較貧乏，1960年以前主要依靠從蘇聯(lián)和剛果進(jìn)口。然而，由于1960年中蘇關(guān)系破裂和剛果獨(dú)立事件，我國(guó)的天然金剛石來(lái)源被切斷了。這嚴(yán)重影響了我國(guó)的精密制造和國(guó)防工業(yè)，而我國(guó)當(dāng)時(shí)正處于經(jīng)濟(jì)極端困難時(shí)期。為擺脫“內(nèi)外交困”，國(guó)家科委于1960年10月正式下達(dá)“人造金剛石試驗(yàn)研究”項(xiàng)目給一機(jī)部，由于是尖端科技保密性極強(qiáng)，該項(xiàng)目被命名為“121課題”。一機(jī)部科技司直接將此項(xiàng)目下達(dá)下屬通用機(jī)械研究所，由剛從蘇聯(lián)學(xué)成歸國(guó)的胡恩良負(fù)責(zé)，1960年底正式開始研究。據(jù)胡恩良回憶，此項(xiàng)目是幾個(gè)單位合作完成的。當(dāng)時(shí)的分工如下：通用所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造高溫高壓設(shè)備，壓力測(cè)量及全盤組織工作；地科院負(fù)責(zé)傳壓絕緣材料的選擇，如葉蠟石等級(jí)測(cè)溫工作；磨料所負(fù)責(zé)合成工藝及分析。工作有分工但不分家，在統(tǒng)一指揮下相互交叉互動(dòng)。通過(guò)查閱相關(guān)資料，胡恩良帶領(lǐng)課題組花了近一年時(shí)間設(shè)計(jì)出了“61”型（年輪式兩面頂壓機(jī)）超高壓裝置，并進(jìn)行復(fù)雜的強(qiáng)度計(jì)算。幾經(jīng)波折，至1963年下半年“61”型裝置已制造出來(lái)，溫度-功率曲線也測(cè)了出來(lái)。這時(shí)迫切需要進(jìn)行工藝方案的定奪。從有關(guān)報(bào)道上胡恩良等得知蘇聯(lián)科學(xué)院于1961年成功合成了人造金剛石，1962年日本小松制造所也成功合成了人造金剛石，這給胡恩良等人提供了新思路，最終商定了工藝方案[30]。

當(dāng)接近1963年年底時(shí)，在“61”型模具上測(cè)壓測(cè)溫，腔體結(jié)構(gòu)，原材料準(zhǔn)備，合成前的測(cè)試工作已完全成熟。1963年12月31日晚，在國(guó)產(chǎn)超高壓裝置上，以高純石墨粉為原料，以鎳鉻合金為觸媒，課題組正式開始合成金剛石。由于前面的準(zhǔn)備工作認(rèn)真細(xì)致，前1、2、3次就成功合成出第一批人造金剛石，所有數(shù)據(jù)均與天然金剛石相同。由于事關(guān)重大，課題組專門請(qǐng)中國(guó)著名礦物學(xué)家蔣溶對(duì)結(jié)果進(jìn)行審定，蔣溶當(dāng)即表態(tài)這就是金剛石[31]。自此，我國(guó)人造金剛石的產(chǎn)量逐年增加，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，呈直線上升趨勢(shì)，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。

從化學(xué)教育的角度看，這段史料可讓學(xué)生形成以下認(rèn)識(shí)：（1）化學(xué)、技術(shù)與社會(huì)之間是緊密聯(lián)系的。社會(huì)對(duì)金剛石的需求刺激著人造金剛石技術(shù)的發(fā)展，而技術(shù)的進(jìn)步又要求化學(xué)為解決技術(shù)難題提供理論基礎(chǔ)。（2）化學(xué)的發(fā)展不是獨(dú)立的，而是根植于整個(gè)自然科學(xué)的土壤之中。如果沒有20世紀(jì)初熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的新發(fā)展，化學(xué)家將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的探索只能處于迷茫的摸索中。（3）我國(guó)科學(xué)家在內(nèi)外交困的情況下，通力合作，自主創(chuàng)新，僅用3年就成功合成了金剛石，打破了西方的封鎖。他們的創(chuàng)新精神值得后世學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上分析可知，人造金剛石的歷史大致分為三個(gè)時(shí)期：一是夢(mèng)想形成期，由于認(rèn)識(shí)到金剛石和與石墨都是碳的單質(zhì)，人造金剛石之夢(mèng)隨之形成。二是迷茫摸索期，由于科學(xué)理論發(fā)展尚不成熟，早期尋夢(mèng)者只能迷茫地摸索。三是成功發(fā)展期，以現(xiàn)代熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)尋找最佳條件并研發(fā)高溫高壓裝置，最終成功合成金剛石?？傊?，人造金剛石發(fā)展史不僅是技術(shù)發(fā)展史，也是科學(xué)思想的發(fā)展史。endprint

在化學(xué)教育中，要讓學(xué)生在了解上述歷史的過(guò)程中，形成問題意識(shí)，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)創(chuàng)新精神；知道科學(xué)研究是曲折的，了解化學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的密切聯(lián)系，理解化學(xué)的發(fā)展受其他自然科學(xué)發(fā)展的制約；同時(shí)，要讓學(xué)生了解人造金剛石在我國(guó)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王晶主編.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2012：109～110.

[2][20]肖云.莫瓦桑發(fā)明人造金剛石的故事[J].科學(xué)啟蒙，2007，（11）：28～29.

[3][21]段晶輝.人造金剛石的故事[J].發(fā)明與創(chuàng)新，2009，（6）：13.

[4][22]吳星.化學(xué)新課程中的科學(xué)探究[M].北京：高等教育出版社，2003：3～4.

[5][23]葉鐵林.探索科學(xué)之路：百年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)鉤沉[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：35.

[6]崔云昊.人造金剛石的歷史與現(xiàn)狀[J].科學(xué)中國(guó)人，1995，（5）：48～50.

[7][10]趙匡華.化學(xué)通史[M].北京：高等教育出版社，1990.

[8][英] J. R.柏廷頓.胡作玄譯.化學(xué)簡(jiǎn)史[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2010：77～78.

[9][16][保]卡·馬諾洛夫.丘琴等譯.世界著名化學(xué)家的故事[M].北京：科學(xué)出版社，1987.

[11] Hazen， R. M. The Diamond Makers. Cambridge University Press，1999：7～10.

[12][24][26] F. P.邦迪，H. I.霍爾，H. M.斯特朗，R. H.文特夫.呂反修譯.人造金剛石[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，（S1）：56～62.

[13][韓]李鐘鎬.李婷婷譯.漫游諾貝爾獎(jiǎng)創(chuàng)造的世界：化學(xué)之旅[M].南寧：接力出版社，2007：122.

[14]樊洪業(yè).科學(xué)業(yè)績(jī)的辨?zhèn)蝃M].上海：上海人民出版社，1982：38～41.

[15][18][29]余樹楨.人造鉆石[J].科學(xué)發(fā)展，2007，（1）：66～71.

[17][25]吳國(guó)慶.金剛石的老知識(shí)和新知識(shí)[J].化學(xué)教育，1993，14（2）：57～61.

[19]陳美華.蔣尚信.金剛石的人工合成[J].化學(xué)通報(bào)，1962，（8）：39～44.

[27]張安華.莫瓦桑與人造金剛石[J].化學(xué)教育，1992，13（3）：59～61.

[28]薛志麟.人造金剛石的歷史及現(xiàn)狀[J].人造金剛石與砂輪，1979，（4）：17～23.

[30]胡恩良.陶知恥.我國(guó)第一顆人造金剛石的誕生[J].超硬材料工程，2009，21（6）：45～47.

[31]姚裕成.中國(guó)人造金剛石誕生紀(jì)事[J].超硬材料工程，2007，19（6）：45～46.endprint