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怎麼合成人造鑽石?人工合成的鑽石是真的嗎?

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 

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關於作者

李赫

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)。

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