網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

0

2
2

文字

分享

0
2
2

怎麼合成人造鑽石?人工合成的鑽石是真的嗎?

李赫
・2019/01/29 ・2377字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 536 ・七年級
人造鑽石搭配完美車工一樣耀眼動人。
圖/diamant

「鑽石恆久遠,一顆永流傳」是大家耳熟能詳的廣告詞。

鑽石是自然礦物當中最堅硬的,所以被用來象徵愛情的堅定。鑽石的形成相當不容易,要在地心承受熱力及壓力,經過幾千萬年,才能把碳化物轉化成鑽石,還要等待時機,藉由火山爆發或其他自然地心變動,才能將它由地心帶上地表,因此非常稀有。

圖/pixabay

鑽石的組成引起科學家的興趣。西元 1796 年,英國化學家譚能特 (Smithson Tennant, 1761-1815) 發現等重量的木炭與鑽石經過燃燒會產生等體積的二氧化碳氣體,因而證明鑽石與木炭同樣是碳元素的組成物,只是兩者外型不同而已。這項實驗結果發表後震驚學術界,吸引了不少科學家爭相投入研究並且合成鑽石,但此後的 150 年內並沒有任何一位科學家成功合成鑽石。

我想把石墨變成鑽石!可行嗎?

鑽石與石墨(常見用途為鉛筆筆心)兩者均是由碳原子組成,特性卻有天壤之別,其主要差異來自於原子排列方式不同。即使相同的元素組成,只要排列方式不同,特性就不同。

換句話說,如果能夠將石墨進行重新排列,就能夠將低價的石墨變成閃閃發亮的鑽石,這可能會比找到失落的寶藏更令人振奮。

首先我們來看看石墨與鑽石在結構排列上的差異:

(A) 石墨的碳原子排列  (B) 鑽石的碳原子排列
圖/John A. Dutton e-Education Institute

如圖中 (A)、(B) 所示,石墨的結構為平面的層狀排列,而鑽石則為三維度的立體排列。

另外,在上圖中可以看到,石墨上的每一個碳原子周圍有三個碳原子相接鄰(專業的說法稱為「配位」),也就是三配位;而在鑽石當中,則是每一個碳原子為四配位。

換句話說,如果要將石墨轉化成鑽石,最主要的部分就是碳原子配位數的改變。而這樣的改變涉及結構的重組,需要很大的能量。

來打造一顆鑽石吧!

那麼有沒有辦法把廉價的石墨轉化成昂貴稀有的鑽石呢?可以我們先來了解鑽石在自然界中是如何形成的:

鑽石在地球深處約 5 萬大氣壓力和攝氏 1,200 度以上的條件生成後,經由火山噴出,快速冷卻;但若冷卻緩慢、停留時間夠長,鑽石就有可能轉化成石墨。

所以如果要製造鑽石,就要在實驗室想辦法創造在地殼內形成的這些條件。

高壓高溫法

在 1954 年聖誕節前,美國通用電器公司以高壓高溫法 (High Pressure and High Temperature, HPHT) 在 70,000 大氣壓及攝氏 1,600 度的環境之下將石墨轉化為鑽石,合成出第一顆人造鑽石。但這顆鑽石很小,只有 0.15 mm ,距離量產還相當遙遠。

第一顆人造鑽石的誕生。
圖/The New York Sun

在此合成的過程中,將石墨置於熔融狀態的鐵、鈷、鎳當中,使石墨也處於熔融狀態,可以進行重排並且催化反應的進行。這樣的環境提供了石墨轉化為鑽石所需要的能量。在此情形之下,層狀石墨(如下圖 (a))。仍然為三配位,漸漸地有少數碳與其他層間的石墨形成四配位,局部破壞了原有的石墨結構。當反應繼續進行下去,有愈來愈多的碳形成四配位的碳(如下圖 (d)),最後形成了鑽石的結構。

石墨轉化為鑽石的機制。
圖/論文〈Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition

化學氣相沉積法

前述高壓高溫法這樣製造鑽石方式過程太過緩慢,無法滿足商業需求。於是到了 1960 年代,又發展出化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD)。

經過改良且適合用於量產的化學氣相沉積法,是先將一顆小小的鑽石「核心」放入真空環境去除雜質,然後科學家往裡注入溫度高達攝氏 3,000 度的甲烷和氫氣,這些高溫氣體會裂解生成帶電荷離子體,而從甲烷裂解物中釋放出碳原子。碳離子會沉積在「核心」表面,並且複製原來放進去的天然小鑽石核心的結構繼續成長,以每小時 0.006 公厘的速度生長,一顆 1 克拉鑽石可以在幾天內生長完成(如下圖所示)。

氣相沉積法製造人造鑽石。
圖/dailymail

目前生產人造鑽石的公司 Diamond Foundry ,則是將高壓高溫法 (HPHT) 與化學氣相沉積法 (CVD) 兩者混合使用,但實際製造方法因具有高度商業價值所以極為保密。

人造鑽石再也不是夢

在實驗室長出來的人造鑽石跟天然鑽石的化學結構完全相同,它們有相同的物理特性,甚至鑽石鑑別專家僅憑肉眼也無法分辨。也因為沒有開採的昂貴成本,這些人造鑽石的市場售價能比天然鑽石低 20% 到 40% 不等。

所以當你看到人造鑽石的時候,千萬不要說它是假的,因為它可能比天然鑽石更純、雜質更少。

圖/pixabay

參考文獻 :

  1. H. Tracy Hall, 88, Created Man-Made Diamonds 
  2. Xie, H., Yin, F., Yu, T., Wang, J., & Liang, C. (2014, August 4). Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition. Scientific Reports
  3. Get YOUR wedding ring 20% cheaper! Scientists GROW diamonds in a lab that are almost indistinguishable from natural stones 

___________
你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

文章難易度
李赫
9 篇文章 ・ 3 位粉絲
中央大學理學博士。為熱愛傳播知識與吸收知識的 作家/教育/研究學者。 對於居家設計與生活時尚亦有高度興趣 (FB作者專頁)。


0

3
0

文字

分享

0
3
0

如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

Else Production
84 篇文章 ・ 331 位粉絲
馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。