圓你一個鑽石夢——金剛石是怎麼煉成的？

「點石成金」從古至今, 一直都是人們的願望。其實早在公元一世紀，早期的鍊金術就真正開始了，煉金師們瘋狂大膽地嘗試各種實驗，希望將賤金屬轉化成貴金屬，尤其是黃金。就連物理大大牛頓生前也留下了上萬字的鍊金術手稿。十分可惜的是，「Turn Lead to Gold」時至今日終究未能實現。黃金提煉不出來，煉金師和一眾化學家們開始將焦點轉移另一種與黃金加之毗鄰的物質身上——金剛石，也就是我們熟知的鑽石。

1772年，法國科學家拉瓦錫在燃燒金剛石的實驗最終得到的產物僅有大量的二氧化碳；1796年，英國化學家史密森·特南特對金剛石的燃燒實驗進行了精確的定量分析，證實了金剛石和石墨為同素異構體的驚人結論。這一發現吸引了不少化學家的眼球，於是他們開始了繁複大量的實驗，希望有朝一日能將廉價的石墨碳變成昂貴的金剛石。所以化學君今天專門來講講：金剛石究竟為什麽那麽稀有珍貴？更重要的是，如何實現「點碳成金剛石」？

金剛石——世界上最堅硬的天然物質

金剛石，俗稱鑽石，是一種僅由碳元素單質組成的礦物。金剛石擁有著正八面體的晶體結構，晶體中的每個碳原子都以sp3雜化軌道與相鄰4個碳原子行成穩定的共價鍵，擁有10級的摩氏硬度。鑽石既然這麽硬，我們到底要用什麽方法來加工和打磨鑽石呢？其實道理很簡單，以硬碰硬，我們大多數會用鑽石來切割鑽石，因為它們的硬度相當。為了使鑽石呈現出來的色澤更加閃耀，經過切割後的鑽石還要用鑽石粉進行拋光，又稱為磨盤。

由於沒有自由電子，鑽石本身不導電。因為當中的碳-碳鍵能很高（347kJ/mol ），所以它的熔點非常高（3815℃），其化學穩定性略低於另一同素異構體石墨。目前自然界的金剛石一般形成於地球內部高溫高壓的極端環境，之後因為各種大大小小的地殼運動（例如火山噴發）被帶到地表面，這就是為什麽大多數金剛石的開採都是在火山附近的緣故。

作為現代的奢侈品，光是每0.5克拉（僅100毫克左右）就價值3000美元。天然的鑽石可以分為兩種顏色：無色和彩色。純正的鑽石色澤一般呈無色透明，無色的鑽石極其罕有，光線折射度亦是鑽石當中最高的，因此價價值不菲。天然形成的鑽石或會因摻雜的化學雜質而有所偏差，而鑽石顏色的不同也會影響它的價值。而絕大部分的天然鑽石都會有一定程度的黃色或褐色，越是無色的鑽石表示等級越高，火光效果也更好更閃爍，價值亦更高。:例如白鑽色澤越黃，價值就越低。

鑽石的顏色當然不止透明和偏黃這兩種，像是天然的鑽石就有各種各樣的顏色，例如粉紅、藍、黃、棕、綠、橙和紅色的彩鑽。

金剛石這麽貴有什麽用？

1. 工業用途：切削高手，導熱閃電

金剛石的硬度及導熱效能極高，在工業上的用途十分廣泛。極高的硬度讓其成為了用來切削高硬度物質和刻畫的好幫手，例如生產沙紙、玻璃切割器、手工研磨工具和勘探地質的鑽探等。

雖然沒有自由電子的鑽石几乎不導電，但卻有著驚人的導熱能力。其導熱效果比銅高出兩倍，比銀高出一倍多，這是因為強大的C-C鍵和穩定的晶體結構令晶格的振動效果非常好，使其內部能夠傳遞高能量的晶格振動波。因此，金剛石也常常用來製作半導體電子元件。

2. 觀賞用途：鑽石恆久遠，一顆永流傳

當然，鑽石之所以成為奢侈品，是因為它具有非常高的折射率（2.42）。金剛石經過精細的切割，令每一道進入鑽石的光線，都能在內部進行全內反射，然後折射出來，最後呈現出來的是鑽石閃閃生輝的樣子。正正是因為鑽石是世界上最硬的自然物質，因此它堅不可摧的特性也象徵著永恆的愛情，其晶瑩剔透的外觀也寓意著堅貞純潔，所以常常被用來作為傳遞愛意的最佳禮物。

金剛石的合成化學——一切皆有可能

那麽究竟如何才能「點石墨成鑽」呢？這僅僅是化學家們可望不可即的一場空想嗎？非也！其實機智的化學家們早在近60年前就已經成功用人工合成的方法製備金剛石。下面化學君將為大家一一介紹目前已知人工合成金剛石的方法!

（1）前無古人，後無來者 —— 歷史上第一次人工合成金剛石

1955年，美國科學家F.P Bundy 成功在高溫高壓的條件下把石墨轉變成金剛石。

（2）炸藥製備法

1988年，N.R Greiner在《自然》報道了用TNT爆炸法製造納米級的金剛石粉末，但由於合成的分體質量不足，因此沒有提供相關的拉曼圖譜證實合成物是否是金剛石。

（TNT）

（金剛石粉末）

（3） 晶體生長術——水熱法

1997年，來自美國賓州大學的化學家X.Z. Zhao 等人嘗試加入金剛石晶種，在熱生長環境下成功製備了金剛石。

（金剛石晶種）

（4）化學氣相沉積法（CVD）——高溫低壓製備金剛石膜

1968年，化學家J.C. Angus等人採用CVD技術將甲烷和四氯化碳在高溫低壓的環境下合成金剛石膜，目前該項技術已經實現了產業化。

（5）金屬熔體+合金催化法

1988年，來自中科大的李亞棟和錢逸泰等人報道了運用熔體鈉結合Co-Ni合金催化劑成功合成了含有少量石墨的金剛石粉末。（圖一）而這一X射線衍射（XRD）以及拉曼光譜均證實了合成金剛石的結構。隨後，劉建偉、錢逸泰等又嘗試用金屬鎂取代同等反應的金屬鈉成功製得了具有八面體、微米級別的n-金剛石（圖二）

圖一：

圖二: (a) Raman 光譜圖 （b） 產物的場發射掃描電鏡圖

（a）

（b）

（6）氯氣處理立方碳化硅——高溫常壓製備金剛石

2001年，伊利諾伊大學Y. Gogotsi 等人在1000 攝氏度、正常大氣壓的條件下，用氯氣以及少量氫氣與立方碳化硅進行反應，這一過程令碳化硅被氯化成四氧化硅繼而揮發，而最後得到的碳中含有金剛石成份。

（7）還原熱解法——製備微米級金剛石

2003年，陳乾旺、樓正松、錢逸泰等人報道了用乾冰（固體二氧化碳）以及金屬鈉在不鏽鋼反應釜中以440℃的還原熱解法成功合成微米級金剛石，產出物具有八面體的晶體構造。

寫到這裡，小編覺得十分感慨，起初看似不可能的事情，總有一些人願意選擇嘗試邁出第一步。待人工合成金剛石的技術逐漸成熟，對合成環境的要求也不再那麽苛刻，它也不會成為什麽奢侈品了，說不定有朝一日你就能在商店買到 「diy鑽石」，願你一個鑽石夢！

文|摩爾

編輯|釩高

技術支持|風華

美編|常山趙子龍&馬超

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參考鏈接:

維基百科：金剛石

參考書籍：

10000個科學難題（化學卷）p9-12

參考文獻：

1. Bundy F P, et al. Nature, 1955, 176:51

2. Greiner N R, et al. Nature, 1988, 333:440

3. Zhao X Z, et al. Nature, 1997, 385:513

4. Angus J C, et al, J. Appl. Phys., 1968, 39:3915

5. Li Y D, Qian Y T, et al. Science, 1998, 281:246

6. 劉建偉. 微尺度碳材料的合成、結構及性能. 合肥：中國科學技術大學, 2003

7. Gogotsi Y, et al. Nature, 2001, 411:283

8. Subarnarekha De. Earth and Planetary Science Letters, 1998, 164:431

9. Sachdev H. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43:4696

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