不久后，或許我們將實現(xiàn)“鉆石自由”

李赫

大家都知道鉆石是一個奢侈品，但對它真正的應(yīng)用，可能并不是所有人都熟悉。

實際上鉆石有一個別名叫金剛石，寶石級的金剛石，我們稱為鉆石。它最開始被發(fā)現(xiàn)時，就跟權(quán)力和財富聯(lián)系在了一起。

尤其是英國王室，他們很喜歡鉆石。英國女王登基時，她手里拿的權(quán)杖上，鑲嵌的那顆大鉆石“非洲之星”重達(dá)520多克拉。這么大的鉆石非常稀有。可以說在很長一段時間里，鉆石一直是屬于王室的，是一個尊貴的、展示權(quán)勢的物品。

后來鉆石才開始逐漸走入尋常百姓家。有一個公司叫戴貝爾斯，主營業(yè)務(wù)就是鉆石和鉆石產(chǎn)品。最令人印象深刻的是，1947年，公司提出了一個廣告語，叫“A diamond is forever”（鉆石恒久遠(yuǎn)）。把鉆石跟純潔的愛情聯(lián)結(jié)在一起，促使它的銷量大幅度增長。這句廣告語流入了中國后，把它翻譯成了“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”。這一下，在中國也把鉆石當(dāng)作定情信物。現(xiàn)在人們結(jié)婚，好多婚禮上都有一個環(huán)節(jié)，由新郎給新娘戴上鉆石戒指。

地球饋贈和天外禮物

這么稀有的鉆石，它到底是怎么來的？

科學(xué)家們考察了鉆石礦場，發(fā)現(xiàn)很多鉆石礦都是在火山口附近。

后來地質(zhì)學(xué)家又進(jìn)一步深入研究，發(fā)現(xiàn)在地幔處——也就是離地表大約150公里到200公里的地方——這附近的化學(xué)物質(zhì)，在高溫高壓作用下被不斷擠壓，經(jīng)過千百萬年，不斷緩慢地發(fā)生物理化學(xué)變化，又經(jīng)過火山噴發(fā)來到地面，在火山口冷卻下來形成鉆石。

有時候會下一些大雨，把鉆石從山上沖擊下來，到達(dá)河流。當(dāng)水流變緩，這些鉆石就沉積在河床上。所以現(xiàn)在很多鉆石礦，基本都是在火山口附近，或是在附近河床里，這是地球?qū)θ祟惖酿佡洝?/p>

另一個方向是，人們在金剛石礦場調(diào)研時，發(fā)現(xiàn)它們也有可能是天外來客的禮物。比如在俄羅斯東西伯利亞一個大的金剛石礦場，有一個巨大的隕石坑，在這個隕石坑里，人們發(fā)現(xiàn)了很多鉆石。

每年都有非常多的天外來客。我們有時候會看到流星雨，這些都是天外來客經(jīng)過地球的場景。有一些天外來客可能想在地球上歇歇腳，就到了地球上，它們速度非?？欤厍虻慕佑|也很粗暴。這就產(chǎn)生了一個巨大的爆炸，釋放出的能量大概相當(dāng)于幾百顆原子彈同時爆炸的能量。因此在隕石撞擊附近，就形成了一個鉆石很喜歡的環(huán)境，出現(xiàn)了鉆石礦。

鉆石可以人工合成嗎

受到鉆石成因啟發(fā)，我們按照地球產(chǎn)生鉆石的環(huán)境，以及天外來客給我們帶來鉆石的環(huán)境，人工模擬，能不能做出鉆石？

于是人們就又進(jìn)行了深入研究。在18世紀(jì)末期，人們發(fā)現(xiàn)，亮閃閃的鉆石主要成分就是碳元素，它跟貌不驚人黑黢黢的石墨，可以說是一母同胞。

我們是不是可以把便宜且儲量特別豐富的石墨，轉(zhuǎn)化成稀少昂貴的鉆石？

最初開展這個活動的是美國GE公司，他們采用一個兩面頂?shù)膲簷C(jī)，成功地用高溫高壓法合成出了人造鉆石。當(dāng)時他們的裝置上下有兩個頂，用來施加壓力，中間腔體外層包著一個加熱裝置，用電來進(jìn)行加熱實現(xiàn)高溫。

用高溫高壓法，實現(xiàn)了人造金剛石合成之后，有另外一批美國人采取了另一種方法，叫CVD方法。他們在一個管式爐里，通入含碳?xì)怏w，加溫，然后在里面實現(xiàn)少量人造金剛石生長。

高溫高壓法和CVD法都能夠?qū)崿F(xiàn)人造鉆石的制備，但是高溫高壓法，由于很多時候里面含有大量氮元素，所以它顯得有些發(fā)黃。CVD法比較好控制，而且這樣得到的人造鉆石，顏色比較透明。而且當(dāng)我們想要制作更大的鉆石時，尤其是兩克拉以上的鉆石，CVD法是一個更好的選擇。

我們團(tuán)隊一直嘗試在實驗室里面造這種鉆石。我們的團(tuán)隊叫功能碳素材料團(tuán)隊，顧名思義，研究的就是碳和跟碳相關(guān)的材料。

我們這個團(tuán)隊現(xiàn)在有四十幾人，剛開始造鉆石時，首先面臨一個最大的難題，就是缺少工具。當(dāng)時在國內(nèi)，想要合成高品質(zhì)的單晶金剛石，需要的裝備一般是從日本進(jìn)口。

這種裝備非常昂貴，換算成人民幣大概需要300萬，而且它還不配套相應(yīng)工藝，就是給了你這個爐子還要自己去開發(fā)配方。

于是我們就進(jìn)行研究，成功地在國產(chǎn)CVD裝備上，配套合適的工藝，生產(chǎn)出了單晶金剛石。國產(chǎn)裝備價格相當(dāng)于國外裝備的十分之一。

到目前為止，承接我們產(chǎn)業(yè)化過程的公司，叫寧波晶鉆。它每年年產(chǎn)鉆石，能達(dá)到20萬克拉，已經(jīng)相當(dāng)可觀。

沒有金剛鉆，不攬瓷器活

有很多人都問：“你們做了單晶金剛石，到底是要干什么用？”

中國有一句傳統(tǒng)的俗語，叫做“沒有金剛鉆，不攬瓷器活”。也就是說金剛石，早就作為我們生產(chǎn)生活的一個工具了。比如我們可以拿它來焗瓷。

金剛石的機(jī)械硬度，是我們利用它作為工具的一個很好的特質(zhì)。

世界上最大的填充口徑射電望遠(yuǎn)鏡，中國天眼FAST，它下邊支架是用鋁合金來制造的，它的加工也都是采用金剛石的刀具。

這是一個很復(fù)雜的工件加工過程。如果用傳統(tǒng)方法，加工這樣一個復(fù)雜工件，需要非常長時間，而且還要精密研磨、拋光。可是使用了金剛石精密加工刀具后，我們的加工效率得到了大幅度提高，而且不需要再進(jìn)行精密研磨了。

除此之外，關(guān)于人造鉆石，還有很多方面的應(yīng)用。

比如，作為激光晶體，金剛石是一種具有很好應(yīng)用前景的光學(xué)晶體。它對于很多光的透過率都非常好，并且散熱能力非常好。

而且，我們通過單晶金剛石可以調(diào)節(jié)激光波長，用這種辦法，獲得黃色激光。

這個黃色激光，一方面可以作為遠(yuǎn)程激光信息傳輸載體，另一方面它也是對人眼安全的激光，可以用于眼科的手術(shù)。

我們都知道，在計算機(jī)行業(yè)有一個著名的摩爾定律。這個摩爾定律實際上指，現(xiàn)在的芯片，每18個月芯片集成度就增加一倍，成本降低一倍。

隨著硅芯片不斷發(fā)展，到了現(xiàn)在，摩爾定律已經(jīng)逐漸失效了。現(xiàn)在一個硅芯片上集成晶體管，幾乎達(dá)到了接近極限的地步。

這一定程度上是受制于它的溫度，熱量無法散出。硅的散熱能力跟金剛石比起來差很多，因此下一代芯片，我覺得可能就是碳基芯片，用金剛石作為熱沉積板的一種芯片。它可能會帶來計算機(jī)行業(yè)的顛覆性成長。

關(guān)于金剛石的應(yīng)用還有很多，比如它還可以幫助科學(xué)家實現(xiàn)微觀世界的量子傳感等等。

鉆石的前世，是自然界對人類的慷慨饋贈。鉆石的今生，是我們?nèi)祟悅ゴ蟮陌l(fā)明創(chuàng)造。我也希望通過科學(xué)家研究，打破鉆石恒久遠(yuǎn)的神話，讓大家早日過上鉆石自由生活。