實驗室“種出”的鉆石

沈臻懿

太陽系中的“鉆石雨”離我們過于遙遠，就目前而言，人們根本無法深入天王星、海王星，更無法從內部取回海量鉆石

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，經受了“煉獄”般的過程，才讓原本烏黑的碳塊結晶為通透的鉆石

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，由碳元素構成，在化學和工業領域中被稱之為金剛石。由于碳原子晶格緊密排列的結構極為牢固，使得鉆石成了目前地球上已知最為堅硬的天然寶石，莫式硬度系數達到了10。天然鉆石的形成條件極其嚴苛，歷經時間也尤為漫長，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，經受了“煉獄”般的過程，才讓原本烏黑的碳塊結晶為通透的鉆石。隨著火山的爆發，鉆石得以被巖漿攜帶至地表。

天然鉆石形成條件的嚴苛，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，有沒有產量更高且可作為天然鉆石的“平替”產品呢？對于這一問題，天文科學家可能會告訴你，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。科學家們通過實驗模擬證明，兩個行星內部區域的極端環境，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。就目前而言，人們根本無法深入天王星、海王星，更無法從內部取回海量鉆石。但隨著科技的發展，一種通過實驗室“種植”培育鉆石的技術，或許能成為代替天然鉆石開采的更優選擇。

實驗室中“種出”真鉆石

天然鉆石的形成，實現了“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、實驗室合成鉆石、實驗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，而是基于實驗室或工廠環境所“誕生”的。

培育鉆石雖然是實驗室產物，但并不同于鋯石、莫桑石等鉆石仿制品。其化學成分、物理特性、光學性質以及晶體結構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，且是實打實的“真鉆石”。無論是天然鉆石，還是培育鉆石，都適用“4C標準”，即克拉重量、凈度、色澤、切工來評判。同樣品質的培育鉆石，其價格僅僅只有天然鉆石的三分之一左右。

科學技術的加持下，原先需要歷經數百萬年甚至數十億年才能形成的鉆石，現在只需要在實驗室中數周時間就可以誕生。實驗室條件下，用來制造培育鉆石的技術主要有高壓高溫法（HPHT）和化學氣相沉積法（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境來進行合成。該技術的關鍵在于高溫高壓設備、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生晶體結構的轉變，并形成鉆石的晶格結構。這一實驗室的“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，置入高溫高壓設備內。隨后，設備提供的溫度及壓力會轉變碳源的晶體結構，催化劑則促進了該作用的變化。鉆石生長階段中，已經形成的晶核會不斷成長并形成完整的鉆石晶體。通過調整溫度、壓力等參數，還可以對鉆石的“成長”速度和晶格質量予以人為控制。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，那些品質較低的天然鉆石，亦可借助HPHT技術處理來提升凈度和色澤。

化學氣相沉積法（CVD）“種植”，即是讓鉆石得以在含碳氣體和氫氣的混合物中生長。該技術較之于HPHT更新，科學家能夠在中等溫度以及較低壓力下進行鉆石的合成。CVD法需要用到薄片狀的晶種來作為“種子”，含碳氣體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、流量等多個參數而相對較高，但其經過后續處理后，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！

實驗室培育鉆石的技術優勢

實驗室培育鉆石的技術優勢，除可作為寶石裝飾外，未來更為廣闊的空間還在于工業應用和環境保護等方面。工業上稱為金剛石的鉆石，是人們已知的最好材料之一。通過實驗室人工培育的鉆石，不僅是無堅不摧的“工業利齒”，還是散熱系數極佳的器件材料，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、水污染等地球生態環境的影響。實驗室培育鉆石的出現，為減少天然鉆石開采和環境保護提供了一種可行的替代方案。據相關環保統計，開采天然鉆石所形成的有害碳排放量，達到了每克拉5.7萬克，而實驗室培育鉆石僅為每克拉0.028克。

此外，從消費者角度而言，實驗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的可控性，還可滿足消費者的個性化定制需求。

編輯：黃靈? ? yeshzhwu@foxmail.com