怕光、怕撞、能合成...鑽石真的值那麼多錢嗎？

摘要：在觸媒即催化劑的作用下，石墨轉化爲鑽石的化學反應的速率加快，所需的溫度和壓力條件也會降低。如同H2O在不同條件下呈現不同的形態——液體水、固態冰和氣態水蒸氣，C元素在不同的溫度和壓力下具有不同的形態表現：在常溫常壓下就是我們常見的黑色碳或石墨，在高溫高壓下則變成閃亮奪目的鑽石，而在一定條件下，它也可能是液態或者氣態C。

來源：中國科普博覽

眩目的外表和堅硬的內心似乎使得鑽石一開始就與“昂貴”一詞相聯繫。早在公元前四世紀，印度就開始交易鑽石。在當時，鑽石被當作寶石或者護身符，而有限的鑽石產量僅僅能夠滿足印度富裕階層這一有限市場。到了1947年，戴比爾斯創作出經典廣告語“鑽石恆久遠，一顆永留傳”，鑽石成爲永恆承諾的象徵，走向國際市場。

A：“鑽石沒什麼別的缺點，就是太貴了”

B：“貴難道不是你的缺點嗎？”

C：“試着撕開鑽石華麗的營銷包裝，你會發現貴可不是它唯一的缺點！”

Part.1

再怎麼堅硬還不是個“怕光族”

金剛石俗稱“金剛鑽”，也就是鑽石的原身，它是自然界中天然存在的最堅硬的物質。由於硬度最高，鑽石加工必須使用與自身硬度相同的鑽石粉相互摩擦切削纔行。

奇特的是如果在陽光下用放大鏡觀察鑽石，鑽石可能會慢慢消失不見（熱力學上碳在空氣中會氧化；動力學上碳在聚光的高溫下會加快反應速度）。這是因爲當陽光聚焦在鑽石上的一點，溫度達到鑽石的燃點時，鑽石燃燒變成了二氧化碳氣體。科學家研究發現鑽石在純氧中燃點爲720~800℃，在空氣中爲850~1000℃，也就是說，鑽石不僅怕光，還怕熱……所以，千萬不要讓你的鑽石接近高溫，更不要好奇心太重，用大明火考驗它。

鑽石雖然堅硬，但是它還怕撞擊？沒錯，鑽石本身很堅硬，但往往越是堅硬的物質越是脆弱，韌性越差。鑽石雖然能切割任何東西，不怕磨損，但是卻害怕撞擊，所以請不要帶着“嬌貴”的鑽石做劇烈的活動，比如：與石頭、陶瓷等硬物碰撞或摔向大理石地面。

Part.2

鑽石和碳竟然是“雙胞胎”

和其他被人們熟知的寶石一樣，鑽石也是普通的化學物質。就如同藍寶石是三氧化二鋁、翡翠是二氧化硅、莫桑石是碳化硅，鑽石也不過是碳（C）的同素異形體。

如同H2O在不同條件下呈現不同的形態——液體水、固態冰和氣態水蒸氣，C元素在不同的溫度和壓力下具有不同的形態表現：在常溫常壓下就是我們常見的黑色碳或石墨，在高溫高壓下則變成閃亮奪目的鑽石，而在一定條件下，它也可能是液態或者氣態C。

鑽石和石墨是同一化學元素C的同素異形體，只是原子結構不同，鑽石爲穩定的四面體結構，而石墨爲層狀結構，兩層之間可以任意滑動。不同的原子結構導致兩者完全不同的物理化學性質：鑽石是地球上硬度最高的物質，其硬度被定義爲莫氏硬度10；石墨爲地球上最軟的物質，其莫式硬度爲1。這就好比小時候喝的加糖精的水，一點點會非常甜，而量再多一點的話就變得非常的苦，在兩個極端間轉化。

既然鑽石和石墨都是C元素的同素異性體，那有沒有什麼辦法可以讓他們變成同樣的結構呢？

答案是“有”。

就像水可以變成冰一樣，無非就是讓C原子重新排列一下。根據C的相圖我們可以得到只要溫度和壓力控制在一定條件下，例如我們將壓力控制在4.5~6.0GPa，溫度在1100℃~1500℃，石墨就會變成鑽石。

在觸媒即催化劑的作用下，石墨轉化爲鑽石的化學反應的速率加快，所需的溫度和壓力條件也會降低。化學反應就像是要穿越一片山區，原本需要先爬到山頂再下山才能通過，但加入了觸媒之後，便如同打通了山底隧道，使反應更容易進行。目前最常見的觸媒爲金屬觸媒，主要有純鐵、純銅和純鎂；合金觸媒有鎳基觸媒（如鎳錳、鎳錳銅、鎳鈷錳等）和鐵基觸媒（如鐵鎳、鐵鈷、鐵錳、鐵鎳鈷、鐵鈷錳鎳等；除此之外還有非金屬觸媒和超臨界流體觸媒等等[1]。

Part.3

稻草也能變“黃金”

鑽石主要分佈在火山口，天然鑽石源自地表下超過160公里的地方，地球內部的高溫高壓環境給了它形成的條件，3~4億年前的火山爆發，把它們推到了地球表面，而那時連恐龍都還沒有出現。但由於火山口的鑽石仍然十分稀少，鑽石的價格異常昂貴。然而隨着對鑽石的追求和熱愛持續增加，充滿智慧的人類終究找到了簡單的方法制造人工合成鑽石。由於稻草燃燒後主要成分爲碳，和鑽石成分相同，人們調侃曰：稻草可變“黃金”。

目前人工合成鑽石的方法主要有：化學氣相沉積CVD法（Chemical Vapor Deposit）和高溫高壓HPHT法（High Pressure High Temperature）[2]。前者是化學氣相沉積法沉積鑽石，後者是通過高溫高壓的方式合成鑽石；CVD以生產大顆粒鑽石爲主，HPHT主要生產小碎鑽。

CVD法：以低分子碳氫化合物（CH4、C2H2、C6H6等）爲原料所產生的氣體與氫氣混合（有的還加入氧氣），在一定的條件下使碳氫化合物離解。在等離子態時，氫離子相互結合成的氫氣被抽真空設備抽走，剩下的碳離子帶正電荷。在鑽石或非鑽石（Si、SiO2、Al2O3、SiC、Cu等）的襯底上通負電，在電場的引導下，帶正電荷的碳離子就會向通負電的襯底移動，最後沉澱在襯底上，並按照鑽石晶格生長規律在襯底上生長出鑽石。其中以鑽石爲襯底生長鑽石的CVD方法也叫做外延生長法，它按照鑽石籽晶的晶面參數不斷地堆積生長，故生長單晶鑽石必須用CVD外延生長法。

目前通過CVD法合成的鑽石品質與天然鑽石几無二致，肉眼難辨，僅僅可以通過觀察其在短波紫外線下的磷光表現，與天然鑽石區分進行簡單的初步篩選。

HPHT法：模擬地殼底下的高溫高壓環境，在高溫高壓下，將石墨融到融化了的金屬觸媒裏面。將石墨與液態金屬施壓到一定的壓力和提升到一定的溫度，例如：5.5萬個大氣壓力，1400℃~2500℃，所有的石墨都會溶解到熔融了的金屬觸媒中，並轉變爲跟天然鑽石成分與結構幾乎一模一樣的鑽石。

就是一些專業的鑑定實驗室也無法分辨HPHT鑽石與天然鑽石間的差別。最簡單的方式是消費者在購買鑽石時一定要索取世界權威證書，IGI鑑定證書都會在證書上和鑽石腰部註明該鑽石顏色經過HPHT處理，所以消費者在閱讀證書時要留意該字樣。

Part.4

人工合成鑽石已成主流？

中國的人工合成鑽石自20世紀90年代開始蓬勃發展，進入 21世紀以來，在世界合成鑽石領域佔據了優勢地位，2016年產量已接近200億克拉：同年國內登記結婚的新人共有1133萬對，如果將這一年國內產出的合成鑽石平均分配，每對新人能分到1800克拉。

中國目前合成鑽石的售價大約爲天然鑽石的50%~70%，隨着技術的進步和規模化生產帶來的邊際成本遞減，未來合成鑽石的成本甚至有可能降到天然鑽石的10%~30%。根據摩根士丹利的調研報告，到2020年，小顆粒合成鑽石的市場售價將達到同級別天然鑽石的50%，而大顆粒合成鑽石的售價有可能降到同級別天然鑽石的30%。摩根士丹利還預測，雖然目前合成鑽石的銷售額在全球市場中僅佔1%，但隨着工藝質量和鑽石尺寸的快速提升，合成鑽石可能會在2020年佔據寶石市場15%左右的份額[3]。

脫去忠貞不渝的象徵外衣，未來的鑽石可能只不過是一枚平平無奇的小石頭罷了。