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怕光、怕撞、能合成...钻石真的值那么多钱吗?

2020-05-21 09:37 点击:15次 发现 金刚 mini 元素 世纪 摩根

来源:中国科普博览

眩目的外表和坚硬的内心似乎使得钻石一开始就与“昂贵”一词相联系。早在公前四世纪,印度就开始交易钻石。在当时,钻石被当作宝石或者护身符,而有限的钻石产量仅仅能够满足印度富裕阶层这一有限市场。到了1947年,戴比尔斯创作出经典广告语“钻石恒久远,一颗永留传”,钻石成为永恒承诺的象征,走向国际市场。

A:“钻石没什么别的缺点,就是太贵了”

B:“贵难道不是你的缺点吗?”

C:“试着撕开钻石华丽的营销包装,你会发现贵可不是它唯一的缺点!”

钻石等于爱情?  钻石等于爱情? 

Part.1

再怎么坚硬还不是个“怕光族”

金刚石俗称“金刚钻”,也就是钻石的原身,它是自然界中天然存在的最坚硬的物质。由于硬度最高,钻石加工必须使用与自身硬度相同的钻石粉相互摩擦切削才行。

奇特的是如果在阳光下用放大镜观察钻石,钻石可能会慢慢消失不见(热力学上碳在空气中会氧化;动力学上碳在聚光的高温下会加快反应速度)。这是因为当阳光聚焦在钻石上的一点,温度达到钻石的燃点时,钻石燃烧变成了二氧化碳气体。科学家研究发现钻石在纯氧中燃点为720~800℃,在空气中为850~1000℃,也就是说,钻石不仅怕光,还怕热……所以,千万不要让你的钻石接近高温,更不要好奇心太重,用大明火考验它。

钻石虽然坚硬,但是它还怕撞击?没错,钻石本身很坚硬,但往往越是坚硬的物质越是脆弱,韧性越差。钻石虽然能切割任何东西,不怕磨损,但是却害怕撞击,所以请不要带着“娇贵”的钻石做剧烈的活动,比如:与石头、陶瓷等硬物碰撞或摔向大理石地面。

千万不要在太阳底下用放大镜观察钻石! 千万不要在太阳底下用放大镜观察钻石!

Part.2

钻石和碳竟然是“双胞胎”

和其他被人们熟知的宝石一样,钻石也是普通的化学物质。就如同蓝宝石是三氧化二铝、翡翠是二氧化硅、莫桑石是碳化硅,钻石也不过是碳(C)的同素异形体。

如同H2O在不同条件下呈现不同的形态——液体水、固态冰和气态水蒸气,C元素在不同的温度和压力下具有不同的形态表现:在常温常压下就是我们常见的黑色碳或石墨,在高温高压下则变成闪亮夺目的钻石,而在一定条件下,它也可能是液态或者气态C。

 不同温度和压力条件下水的形态和碳的形态 不同温度和压力条件下水的形态和碳的形态

钻石和石墨是同一化学元素C的同素异形体,只是原子结构不同,钻石为稳定的四面体结构,而石墨为层状结构,两层之间可以任意滑动。不同的原子结构导致两者完全不同的物理化学性质:钻石是地球上硬度最高的物质,其硬度被定义为莫氏硬度10;石墨为地球上最软的物质,其莫式硬度为1。这就好比小时候喝的加糖精的水,一点点会非常甜,而量再多一点的话就变得非常的苦,在两个极端间转化。

 钻石和石墨的原子结构图  钻石和石墨的原子结构图 

既然钻石和石墨都是C元素的同素异性体,那有没有什么办法可以让他们变成同样的结构呢?

答案是“有”。

就像水可以变成冰一样,无非就是让C原子重新排列一下。根据C的相图我们可以得到只要温度和压力控制在一定条件下,例如我们将压力控制在4.5~6.0GPa,温度在1100℃~1500℃,石墨就会变成钻石。

在触媒即催化剂的作用下,石墨转化为钻石的化学反应的速率加快,所需的温度和压力条件也会降低。化学反应就像是要穿越一片山区,原本需要先爬到山顶再下山才能通过,但加入了触媒之后,便如同打通了山底隧道,使反应更容易进行。目前最常见的触媒为金属触媒,主要有纯铁、纯铜和纯镁;合金触媒有镍基触媒(如镍锰、镍锰铜、镍钴锰等)和铁基触媒(如铁镍、铁钴、铁锰、铁镍钴、铁钴锰镍等;除此之外还有非金属触媒和超临界流体触媒等等[1]。

Part.3

稻草也能变“黄金”

钻石主要分布在火山口,天然钻石源自地表下超过160公里的地方,地球内部的高温高压环境给了它形成的条件,3~4亿年前的火山爆发,把它们推到了地球表面,而那时连恐龙都还没有出现。但由于火山口的钻石仍然十分稀少,钻石的价格异常昂贵。然而随着对钻石的追求和热爱持续增加,充满智慧的人类终究找到了简单的方法制造人工合成钻石。由于稻草燃烧后主要成分为碳,和钻石成分相同,人们调侃曰:稻草可变“黄金”。

目前人工合成钻石的方法主要有:化学气相沉积CVD法(Chemical Vapor Deposit)和高温高压HPHT法(High Pressure High Temperature)[2]。前者是化学气相沉积法沉积钻石,后者是通过高温高压的方式合成钻石;CVD以生产大颗粒钻石为主,HPHT主要生产小碎钻。

CVD法:以低分子碳氢化合物(CH4、C2H2、C6H6等)为原料所产生的气体与氢气混合(有的还加入氧气),在一定的条件下使碳氢化合物离解。在等离子态时,氢离子相互结合成的氢气被抽真空设备抽走,剩下的碳离子带正电荷。在钻石或非钻石(Si、SiO2、Al2O3、SiC、Cu等)的衬底上通负电,在电场的引导下,带正电荷的碳离子就会向通负电的衬底移动,最后沉淀在衬底上,并按照钻石晶格生长规律在衬底上生长出钻石。其中以钻石为衬底生长钻石的CVD方法也叫做外延生长法,它按照钻石籽晶的晶面参数不断地堆积生长,故生长单晶钻石必须用CVD外延生长法。

目前通过CVD法合成的钻石品质与天然钻石几无二致,肉眼难辨,仅仅可以通过观察其在短波紫外线下的磷光表现,与天然钻石区分进行简单的初步筛选。

HPHT法:模拟地壳底下的高温高压环境,在高温高压下,将石墨融到融化了的金属触媒里面。将石墨与液态金属施压到一定的压力和提升到一定的温度,例如:5.5万个大气压力,1400℃~2500℃,所有的石墨都会溶解到熔融了的金属触媒中,并转变为跟天然钻石成分与结构几乎一模一样的钻石。

就是一些专业的鉴定实验室也无法分辨HPHT钻石与天然钻石间的差别。最简单的方式是消费者在购买钻石时一定要索取世界权威证书,IGI鉴定证书都会在证书上和钻石腰部注明该钻石颜色经过HPHT处理,所以消费者在阅读证书时要留意该字样。

 CVD法合成钻石设备和生长示意图  CVD法合成钻石设备和生长示意图   HPHT法制备钻石设备和内部示意图  HPHT法制备钻石设备和内部示意图 

Part.4

人工合成钻石已成主流?

中国的人工合成钻石自20世纪90年代开始蓬勃发展,进入 21世纪以来,在世界合成钻石领域占据了优势地位,2016年产量已接近200亿克拉:同年国内登记结婚的新人共有1133万对,如果将这一年国内产出的合成钻石平均分配,每对新人能分到1800克拉。

中国目前合成钻石的售价大约为天然钻石的50%~70%,随着技术的进步和规模化生产带来的边际成本递减,未来合成钻石的成本甚至有可能降到天然钻石的10%~30%。根据摩根士丹利的调研报告,到2020年,小颗粒合成钻石的市场售价将达到同级别天然钻石的50%,而大颗粒合成钻石的售价有可能降到同级别天然钻石的30%。摩根士丹利还预测,虽然目前合成钻石的销售额在全球市场中仅占1%,但随着工艺质量和钻石尺寸的快速提升,合成钻石可能会在2020年占据宝石市场15%左右的份额[3]。

脱去忠贞不渝的象征外衣,未来的钻石可能只不过是一枚平平无奇的小石头罢了。

人工合成各种颜色钻石  人工合成各种颜色钻石 
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