不久后，或许我们将实现“钻石自由”

李赫

大家都知道钻石是一个奢侈品，但对它真正的应用，可能并不是所有人都熟悉。

实际上钻石有一个别名叫金刚石，宝石级的金刚石，我们称为钻石。它最开始被发现时，就跟权力和财富联系在了一起。

尤其是英国王室，他们很喜欢钻石。英国女王登基时，她手里拿的权杖上，镶嵌的那颗大钻石“非洲之星”重达520多克拉。这么大的钻石非常稀有。可以说在很长一段时间里，钻石一直是属于王室的，是一个尊贵的、展示权势的物品。

后来钻石才开始逐渐走入寻常百姓家。有一个公司叫戴贝尔斯，主营业务就是钻石和钻石产品。最令人印象深刻的是，1947年，公司提出了一个广告语，叫“A diamond is forever”（钻石恒久远）。把钻石跟纯洁的爱情联结在一起，促使它的销量大幅度增长。这句广告语流入了中国后，把它翻译成了“钻石恒久远，一颗永流传”。这一下，在中国也把钻石当作定情信物。现在人们结婚，好多婚礼上都有一个环节，由新郎给新娘戴上钻石戒指。

地球馈赠和天外礼物

這么稀有的钻石，它到底是怎么来的？

科学家们考察了钻石矿场，发现很多钻石矿都是在火山口附近。

后来地质学家又进一步深入研究，发现在地幔处——也就是离地表大约150公里到200公里的地方——这附近的化学物质，在高温高压作用下被不断挤压，经过千百万年，不断缓慢地发生物理化学变化，又经过火山喷发来到地面，在火山口冷却下来形成钻石。

有时候会下一些大雨，把钻石从山上冲击下来，到达河流。当水流变缓，这些钻石就沉积在河床上。所以现在很多钻石矿，基本都是在火山口附近，或是在附近河床里，这是地球对人类的馈赠。

另一个方向是，人们在金刚石矿场调研时，发现它们也有可能是天外来客的礼物。比如在俄罗斯东西伯利亚一个大的金刚石矿场，有一个巨大的陨石坑，在这个陨石坑里，人们发现了很多钻石。

每年都有非常多的天外来客。我们有时候会看到流星雨，这些都是天外来客经过地球的场景。有一些天外来客可能想在地球上歇歇脚，就到了地球上，它们速度非常快，跟地球的接触也很粗暴。这就产生了一个巨大的爆炸，释放出的能量大概相当于几百颗原子弹同时爆炸的能量。因此在陨石撞击附近，就形成了一个钻石很喜欢的环境，出现了钻石矿。

钻石可以人工合成吗

受到钻石成因启发，我们按照地球产生钻石的环境，以及天外来客给我们带来钻石的环境，人工模拟，能不能做出钻石？

于是人们就又进行了深入研究。在18世纪末期，人们发现，亮闪闪的钻石主要成分就是碳元素，它跟貌不惊人黑黢黢的石墨，可以说是一母同胞。

我们是不是可以把便宜且储量特别丰富的石墨，转化成稀少昂贵的钻石？

最初开展这个活动的是美国GE公司，他们采用一个两面顶的压机，成功地用高温高压法合成出了人造钻石。当时他们的装置上下有两个顶，用来施加压力，中间腔体外层包着一个加热装置，用电来进行加热实现高温。

用高温高压法，实现了人造金刚石合成之后，有另外一批美国人采取了另一种方法，叫CVD方法。他们在一个管式炉里，通入含碳气体，加温，然后在里面实现少量人造金刚石生长。

高温高压法和CVD法都能够实现人造钻石的制备，但是高温高压法，由于很多时候里面含有大量氮元素，所以它显得有些发黄。CVD法比较好控制，而且这样得到的人造钻石，颜色比较透明。而且当我们想要制作更大的钻石时，尤其是两克拉以上的钻石，CVD法是一个更好的选择。

我们团队一直尝试在实验室里面造这种钻石。我们的团队叫功能碳素材料团队，顾名思义，研究的就是碳和跟碳相关的材料。

我们这个团队现在有四十几人，刚开始造钻石时，首先面临一个最大的难题，就是缺少工具。当时在国内，想要合成高品质的单晶金刚石，需要的装备一般是从日本进口。

这种装备非常昂贵，换算成人民币大概需要300万，而且它还不配套相应工艺，就是给了你这个炉子还要自己去开发配方。

于是我们就进行研究，成功地在国产CVD装备上，配套合适的工艺，生产出了单晶金刚石。国产装备价格相当于国外装备的十分之一。

到目前为止，承接我们产业化过程的公司，叫宁波晶钻。它每年年产钻石，能达到20万克拉，已经相当可观。

没有金刚钻，不揽瓷器活

有很多人都问：“你们做了单晶金刚石，到底是要干什么用？”

中国有一句传统的俗语，叫做“没有金刚钻，不揽瓷器活”。也就是说金刚石，早就作为我们生产生活的一个工具了。比如我们可以拿它来焗瓷。

金刚石的机械硬度，是我们利用它作为工具的一个很好的特质。

世界上最大的填充口径射电望远镜，中国天眼FAST，它下边支架是用铝合金来制造的，它的加工也都是采用金刚石的刀具。

这是一个很复杂的工件加工过程。如果用传统方法，加工这样一个复杂工件，需要非常长时间，而且还要精密研磨、抛光。可是使用了金刚石精密加工刀具后，我们的加工效率得到了大幅度提高，而且不需要再进行精密研磨了。

除此之外，关于人造钻石，还有很多方面的应用。

比如，作为激光晶体，金刚石是一种具有很好应用前景的光学晶体。它对于很多光的透过率都非常好，并且散热能力非常好。

而且，我们通过单晶金刚石可以调节激光波长，用这种办法，获得黄色激光。

这个黄色激光，一方面可以作为远程激光信息传输载体，另一方面它也是对人眼安全的激光，可以用于眼科的手术。

我们都知道，在计算机行业有一个著名的摩尔定律。这个摩尔定律实际上指，现在的芯片，每18个月芯片集成度就增加一倍，成本降低一倍。

随着硅芯片不断发展，到了现在，摩尔定律已经逐渐失效了。现在一个硅芯片上集成晶体管，几乎达到了接近极限的地步。

这一定程度上是受制于它的温度，热量无法散出。硅的散热能力跟金刚石比起来差很多，因此下一代芯片，我觉得可能就是碳基芯片，用金刚石作为热沉积板的一种芯片。它可能会带来计算机行业的颠覆性成长。

关于金刚石的应用还有很多，比如它还可以帮助科学家实现微观世界的量子传感等等。

钻石的前世，是自然界对人类的慷慨馈赠。钻石的今生，是我们人类伟大的发明创造。我也希望通过科学家研究，打破钻石恒久远的神话，让大家早日过上钻石自由生活。