合成人造钻石有哪些方法？-浩瀚科普

钻石是自然矿物当中硬度最高的，所以被用来象征爱情的坚定。钻石的形成相当不容易，要在地心承受热力及压力，经过几千万年，才能把碳化物转化成钻石，还要等待时机，藉由火山爆发或其他自然地心变动，才能将它由地心带上地表，因此非常稀有。

钻石的组成引起科学家的兴趣。1796年，英国化学家谭能特(1761-1815)发现等重量的木炭与钻石经过燃烧会产生等体积的二氧化碳气体，因而证明钻石与木炭同样是碳元素的组成物，只是两者外型不同而已。这项实验结果发表后震惊学术界，吸引了不少科学家争相投入研究并且合成钻石，但此后的150年内并没有任何一位科学家成功合成钻石。

石墨能不能变成钻石？

钻石与石墨（常见用途为铅笔笔心）两者均是由碳原子组成，特性却有天壤之别，其主要差异来自于原子排列方式不同。即使相同的元素组成，只要排列方式不同，特性就不同。

换句话说，如果能够将石墨进行重新排列，就能够将低价的石墨变成闪闪发亮的钻石，这可能会比找到失落的宝藏更令人振奋。

首先我们来看看石墨与钻石在结构排列上的差异：

如图中(A)、(B)所示，石墨的结构为平面的层状排列，而钻石则为三维度的立体排列。

另外，在上图中可以看到，石墨上的每一个碳原子周围有三个碳原子相接邻（专业的说法称为配位），也就是三配位；而在钻石当中，则是每一个碳原子为四配位。

换句话说，如果要将石墨转化成钻石，最主要的部分就是碳原子配位数的改变。而这样的改变涉及结构的重组，需要很大的能量。

人造钻石的2种制造方法

那么有没有办法把廉价的石墨转化成昂贵稀有的钻石呢？可以我们先来了解钻石在自然界中是如何形成的：

钻石在地球深处约5万大气压力和1200℃以上的条件生成后，经由火山喷出，快速冷却；但若冷却缓慢、停留时间够长，钻石就有可能转化成石墨。

所以如果要制造钻石，就要在实验室想办法创造在地壳内形成的这些条件。

高压高温法

在1954年圣诞节前，美国通用电器公司以高压高温法在70000大气压及1600℃的环境之下将石墨转化为钻石，合成出第一颗人造钻石。但这颗钻石很小，只有0.15mm，距离量产还相当遥远。

在此合成的过程中，将石墨置于熔融状态的铁、钴、镍当中，使石墨也处于熔融状态，可以进行重排并且催化反应的进行。这样的环境提供了石墨转化为钻石所需要的能量。在此情形之下，层状石墨（如下图(a)）。仍然为三配位，渐渐地有少数碳与其他层间的石墨形成四配位，局部破坏了原有的石墨结构。当反应继续进行下去，有愈来愈多的碳形成四配位的碳（如下图(d)），最后形成了钻石的结构。

化学气相沉积法

前述高压高温法这样制造钻石方式过程太过缓慢，无法满足商业需求。于是到了1960年代，又发展出化学气相沉积法。

经过改良且适合用于量产的化学气相沉积法，是先将一颗小小的钻石核心放入真空环境去除杂质，然后科学家往里注入温度高达3000℃的甲烷和氢气，这些高温气体会裂解生成带电荷离子体，而从甲烷裂解物中释放出碳原子。碳离子会沉积在钻石核心表面，并且复制原来放进去的天然小钻石核心的结构继续成长，以每小时0.006李弥的速度生长，一颗1克拉钻石可以在几天内生长完成（如下图所示）。