钻石的前世今生

作者: 李赫

来源: 格致论道讲坛

发布日期: 2021-02-14 12:00:00

本文介绍了钻石的历史、形成过程、人工合成方法及其应用,展示了钻石从奢侈品到日常工具的转变,并展望了钻石在科技领域的未来应用。

大家好!一提起钻石大家都知道它是一个奢侈品,但是对于钻石,它真正的应用可能并不是所有人都非常熟悉。所以今天在这里,我给大家来做一个汇报,讲一下钻石的前世今生。

我是李赫,来自于中科院宁波材料技术与工程研究所。实际上钻石还有一个小名,或者它有一个别名叫金刚石,宝石级的金刚石。我们称作为钻石。它在最开始被发现时就跟权力和财富联系在了一起。尤其是英国王室,他们就很喜欢钻石。

在英国女王登基的时候,她手持权杖,头戴王冠。在这个王冠上就镶嵌了一颗一百多克拉的钻石,叫光之山钻石。而她手里拿的权杖上,镶嵌的那颗大钻石“非洲之星”更是重达520多克拉。这两颗钻石,都来自同一颗天然钻石“库里南一号”。这么大的钻石非常稀有。可以说在很长的一段时间里,钻石一直是属于王室的,是一个很尊贵的、展示权势的物品。

后来钻石开始逐渐走入寻常百姓家里。

有一个公司叫做戴贝尔斯,戴贝尔斯公司的主营业务,就是钻石和钻石的产品。他们为了推广自己的钻石,首先在1939年的时候推出了一个4C规则。这个4C规则,就包括了钻石的重量,用克拉来衡量它的颜色、纯净度以及切工。这个4C规则就给钻石了做了一个价格上的定义,通过这些定义把每个不同的钻石,都标注了不同的价格。

最令人印象深刻的就是在1947年的时候,公司提出了一个广告语,叫做“A diamond is forever”。这个广告语的提出,实际上是响应了当时的背景的。1947年的时候,二战刚刚结束不久,美国的经济是非常繁荣的,这个时候想结婚的青年男女也是非常多。当“A diamond is forever”的广告语提出之后,就把钻石跟纯洁的爱情联结在了一起,因此促使它的销量大幅度地增长。

这句广告语流入了我国之后,由于我们汉语的表达非常丰富,就把它翻译成了“钻石恒久远,一颗永流传”。这一下更不得了。在中国也把钻石当作定情的信物。现在在结婚的时候,好多婚礼上都有一个环节,就是由新郎给新娘戴上钻石戒指。

大家可能不禁要问,这么稀有的钻石,它到底是怎么来的?科学家们就考察了一下钻石的矿场,他们发现很多的钻石矿,都是在火山口附近。后来有地质学家,又进一步地深入研究,发现在地幔处,也就是说在离地表,大约150公里到200公里的地方。这附近的化学物质,在高温和高压的作用下被不断地挤压,经过了千百万年,不断缓慢地发生物理化学变化,经过火山的喷发它们就来到了地面,在火山口马上冷却下来就形成了钻石。

钻石是不是能够人工合成?一直是我们科学家所想探讨的一件事情。受到钻石成因的启发,那我们可以按照地球母亲做钻石的环境,以及天外来客给我们带来钻石的环境,模拟那个现场,能不能做出钻石?于是人们就又进行了深入的研究。在18世纪末期的时候,人们发现亮闪闪的钻石的主要成分就是碳元素,它跟貌不惊人黑黢黢的石墨,实际上是同宗的兄弟,可以说是一母同胞。

那么我们是不是可以把便宜的石墨,而且储量特别丰富的石墨,转化成稀少的昂贵的钻石?人们进行了一些探索。首先我们来看这一张彩色的图片。

这是一张碳的相图,我们可以看到在白色的区域里面,一般来讲这个地方的温度比较高,压力也比较大。在这个区间里面,是一个钻石稳定形成的区域,而下方红色的区间,是石墨比较稳定,钻石亚稳定的状态。于是可以想象,如果我们用高温和高压模拟地球里面的环境,就应该可以获得我们想要的人造钻石。最初开展这个活动的,就是美国的GE公司,他们采用了一个两面顶的压机,成功地合成出了人造的钻石,高温高压法的钻石。

有很多人都问,说:“你们做了单晶金刚石,到底是要干什么用?”我们中国有一句传统的俗语,叫做“没有金刚钻,不揽瓷器活”也就是说金刚石,早就作为我们生产生活的一个工具了。比如说我们可以拿它来焗瓷。从这个角度上来讲,金刚石的机械的硬度,是我们利用它作为工具的一个很好的特征。我们通过简单的切削的加工,就得到了下边这张图上,表面非常光滑的一个零件,而且这个零件,都能够反射出来镜面的特性。

关于人造钻石,我们还有很多方面的应用。下面我举四个例子,这四个例子,是我们现在课题组里面,曾经或者是现在正在从事的一些研究工作。比如说第一个,作为激光晶体。金刚石是一种具有很好的光学应用前景的光学晶体。它对于很多光的透过率都是非常好的,并且它具有其它晶体所不具备的优势。比如它的散热能力是非常好的,它的散热能力远远优于其它的单晶,而且在这里面,我们通过单晶金刚石的激光,就可以获得一个激光的拉曼增益。

我们用这种方法,可以去调节激光的波长。我们用这种办法,获得了黄色的激光。

钻石的前世,是自然界对人类的慷慨的馈赠。钻石的今生,是我们人类伟大的发明创造。我也希望通过我们科学家的研究,打破钻石恒久远的神话,让大家早日过上钻石自由的生活,谢谢大家!

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