超硬材料网

　　编者按：王光祖教授一生钟爱人造金刚石事业，他的诗“与钻石相遇，一见情钟。为钻石而研，死而无憾!”就是他本人写照。年已古稀的他，依然孜孜不倦的学习，博览群书，至今笔耕不辍。本文是王光祖老先生博览群书、有感而发，写出的别具风格，带有文学色彩的一篇科普性文章，想象力丰富，语言风趣。现刊载如下，以飨读者。
　　作者撰写该文的本意有启发更多年轻专家参加撰写带有趣味性科普文章，使更多的人（包括领导）了解我们这个深奥而富有传奇色彩的金刚石行业，促进我国金刚石及应用工业大发展。
　　 中国超硬材料网总经理刘金昌
　　 2010年8月18日

　　金刚石——无边无垠无止境的话题
　　郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖

　　极致与超越：材料原分三大类，即坚硬的陶瓷、导电的金属和柔软的塑料，然而钻石（人们常称之为金刚石）不属于传统材料，它的性质超乎寻常以至成为终极的材料之王。
　　钻石的极端性质，具有王者风范，因此它的用途也成为材料的极致。钻石不仅在性能上超越传统材料，在许多领域钻石更成为唯一的能者(enabler)。因此，可视为上帝赐给人类的“超越物质”。
　　无瑖的魅力：与钻石相遇，一见情钟。
　　永恒的追索：为钻石而研，死而无憾!
　　金刚石是自然界极为稀有的一种矿物，早在公元前三千年就在印度被发现，是一种富有神秘传奇色彩的古老晶体。通过千百年来不懈的技术探秘与观测，人们逐渐地认识到金刚石是一种集力、电、光、热、声等众多特性于一体的可贵材料，其所特有的优异性能，是迄今已知其它任何材料不可比拟的。正是这些难能可贵的综合优异特性，使得它的用途成为材料极致，具有“材料王者”之风范。
　　虽然千万年的时光已逝去，而堪称古老的金刚石晶体却永葆青春，长盛不衰，服务于人类社会无边的境地。可是，迄今人们对它的应用还只是“冰山” 之一角。倘若有朝一日金刚石材料的应用能得以普及，那将使人类物质文明达到颠峰，进入永远的“金刚石时代”。由于没有任何物质可以取代金刚石，那么，“金刚石时代”来临之后也将不可替代。同一个绚丽多彩的金刚石世界，同一个唯妙唯肖的金刚石梦想，让我们用智慧和辛劳，来共同构筑金刚石时代的美好未来，奋力实现人类对物质文明追求的最高愿望和目标。
　　1、无边太空 珍藏奥秘
　　
　　闪闪烁烁小星星，
　　让我知道你是啥?
　　远离尘世这么高，
　　像是钻石悬天边。（太空）
　　Twinkle，twinkle，little star
　　How I wonder what you are?
　　Up above the world so high，
　　Like a diamond in the sky。
　　
　　1806年，Jane Taylor已在儿歌“Diamond in the sky”描述天上的星星看起来像钻石，这首儿歌现在已经戏言成真。
　　不仅天空上高悬着许多钻石星，星际间也迷漫碳与氢化物，其中最多的为甲烷。甲烷的结构是一个四面体，其四个角儿各有一个氢原子，位于中央的碳原子其四个外围的价电子被氢原子拉扯突出就形成钻石(SP3)，所以甲烷其实是单原子的钻石。
　　甲烷互相撞击聚集组成多原子钻石，星际的尘埃中就含有纳米钻石，陨石内及慧星裹内也蕴藏着纳米钻石。太阳系外围的气相行星，包括木星、土星、天王星及海王星都含有丰富的甲烷。甲烷在高温和高压下分解并沉积出钻石，因此，在这些气相行星内的大气会飘下钻石的“雪花”。“钻石雪花”沉积到星球的内部会被加热，在高温下它会熔成“钻石雨滴”。钻石大雨在星球内部会汇集成“钻石河流”，“钻石河流”也会流向星球更深处的“钻石海洋”。
　　古代的人看到闪烁的星星不知道它是什么东西，因此，赋予神秘色彩。现代的科学家以天文望远镜测量一些星星的光谱，已经证明其内含有大量钻石。银河系内即有大量的钻石巨星，这种钻石星内的钻石会比整个地球，甚至太阳的质量还大。

宇宙内充斥的甲烷是悬浮的单原子钻石

　　2、无垠大地 深埋神奇
　　地域辽阔、矿藏丰富的俄罗斯北部地区有将近36%的领土都在北极圈内，这里也是俄罗斯最富饶的地方，大部分矿产资源都蕴藏于此。由于这些地区的土壤是永久冻土，给修建公路和铁路带来了巨大的困难。俄罗斯40%的煤，99%的天然金刚石储藏在这里。目前，只有钻石、黄金、铂等贵重金属“享受”空运待遇，因此，绝大部分的矿藏未被开采[1]。
　　地球黑色钻石来自外太空。自上个世纪初至今，全球共开采和销售了约600吨钻石，钻石已成为上流社会最流行的装饰品之一。但在各种颜色钻石中，黑钻石因为其数量稀少而显得尤为珍贵。黑色钻石到底来自何方，为何数量又会如此的稀少呢?美国佛罗里达州立大学的天体物理学家约瑟夫.加莱等的研究发现，地球上的黑色钻石并不是地球本身演化产生的，而是全部来自外太空。“钻石恒久远，一颗永流传”，的确，早在地球尚未诞生的时候，黑色钻石就可能已经在宇宙中存在了。
　　为研究黑色钻石的起源，美国科学家们动用了美国布鲁克海文(Brookhaven)国家实验室的红外同步加速器。佛罗里达州立大学天体物理学家哈吉尔提说，“氮和氢是发现黑色钻石起源的重要线索”。科学家们在黑色钻石中发现了大量氢元素，这表明它来自富含氢元素的外层太空。18世纪中期，在巴西的葡萄牙人首次提出了“黑色金刚石”这一概念。到目前为止，人们只在巴西以及中非共和国发现过黑色钻石。
　　美国国家科学基金会地球科学部负责人索尼亚.埃斯佩兰卡说:“一般的钻石都是纯碳物质在地表100公里以下受到压力形成的结晶，当遭遇火山活动时，它们被带到地球的表层。正是这一过程保持了钻石的特殊晶体结构，使得其成为地球上硬度最大的天然材料。尽管到目前为止全球开采并销售了约600吨的普通钻石，但是还没有在世界上任何一个钻石矿中发现过黑色钻石”[2]。
　　产自地下深处(100～200km左右)的金刚石可能是由海底鱼类残骸或腐殖质所形成的。为了解开这个迷团，加拿大加尔伯达大学的金刚石地质学家Ralf Tappert等，对南非亚格斯丰坦矿里的金刚石进行了研究，认为地下深处的金刚石所含的C12(组成几乎全部有机物的同位素)远远多于另一种同位素 C13。因此，他们说，当大洋板块滑到其它板块下并进入地幔时，海洋底栖生物便会为地下深处的金刚石提供碳元素。美国华盛顿卡耐基研究所的同位素地质化学家Steven Shirey表示，该研究很好地证明了，深处的地层最终会返回到地表(科学时报)[3]。
　　据报道，科研人员在用金刚石抛光一块陨石时发现其中存在比钻石还硬的碳晶体，这意味着这种晶体的硬度高于钻石。利用一系列仪器对陨石中的晶体进行了仔细的观察，发现了两种全新的天然碳晶体结构。这种碳晶体比地球内部形成的钻石硬度还要大。简单地讲，钻石是在地球深处高温高压条件下形成的，一般压力为4.5～5.0GPa(相当于150～200km/的深度)，温度为1100～1500℃。目前所开采的矿山中，大部分钻石主要形成于33亿年前以及12～17亿年这两个时期。如南非的一些钻石的年龄为45亿年左右，表明这些钻石在地球诞生后不久便已开始在地球深处结晶，是世界上最古老的宝石。钻石的形成需要一个漫长的历史过程，这从钻石主要出产于地球上古老的稳定大陆地区可以证实。
　　此外，科学家推测星体对地球的碰撞，产生瞬时的高压、高温也可形成钻石。法国里昂大学特里斯坦。费罗尔教授说：“这一发现纯属意外，不过我们确信研究这一陨石能够对钻石有新发现”。下一步将用高精密仪器观察较小晶体的结构，了解其原子排列，以最终揭开其成因。
　　3、典雅、浪漫、传奇与神秘
　　当今世界第一钻石名称“金色五十年节”，重量为545.67克拉，超过称霸83年之久的原来世界最大钻石“非洲巨星”15.47克拉。1996年4月13日献给泰国国王普密蓬.阿杜德，作为祝贺国王执政50周年的厚礼并被镶嵌在为庆祝泰王即位50周年特制的权杖顶端。
　　当今世界第二大钻石，被英王命名为“非洲巨星”，为举世闻名的世界最大的宝石级金刚石“库利南”，重量为530.20克拉，呈梨形，有74个面，被镶嵌在英国国王爱德华七世的王笏(权杖)上。
　　人们常说洁白无瑕的钻石是坚贞永恒的象征。然而色彩缤纷、艳丽无比的彩色钻石更使这情意之物增添了一些典雅、浪漫、传奇和神秘的气质。
　　世界上最著名的彩钻当属“尤利卡”。据历史记载，1866年9月，一位名叫伊拉姆斯•杰克布的15岁男孩在南非霍普敦镇附近奥伦治河滩上玩卵石时，发现了这颗浅黄色，呈不完整八面体，重量为21克拉宝石级金刚石。1966年在“尤利卡”被发现100周年时，De Beers钻石公司以高价将“尤利卡”彩钻从英国买回其发现地南非，现存放在南非金伯利钻石博物馆，供全球公众观赏。
　　世界上最罕见的彩钻当属“绿色德勒斯顿”。据记载，17世纪中期，在印度戈尔康达地区开采金刚石古砂矿时，发现了这颗绿色的宝石级金刚石，重约101克拉。该彩钻透射出色泽鲜艳，耀眼夺目的光芒，在阳光下呈现出迷人的光彩，令人爱不释手。并认定为传世珍宝。
　　人们把独一无二、坚不可摧、永不磨损的钻石与永恒不变的爱情结合起来，使钻石演化成了代表永恒爱情的象征，成为爱情坚贞的誓言和结婚的信物。大自然赐给人类的稀有珍贵的钻石与时俱进，已成为21世纪人们崇尚的一种理念、一种寄托、一种文化、一份情感、一次投入的保值增值的永不磨损的世纪流传的珍品。[4]
　　美国天文学家们日前公布了一颗被大量碳粒所包裹的碳恒星的最新数据。这颗被命名为“贝塔.皮克托里斯” 的年轻恒星目前所处的状态与太阳的早期情况相似。不过，在该恒星周围直径超过3000亿公里的气态云团中，天文学家们却发现了大量以气态方式存在的碳元素。并认为其周围的碳元素可能是小行星与慧星相互碰撞的产物。如果真是如此，那么今后在该恒星周围形成的行星将主要由碳元素构成——在这些“碳行星” 的表面将被大量的焦油和烟雾所笼罩，而山峰将由金刚石构成[5]。
　　
　　金刚石是极其稀有的矿物质，但在漫长的历史进程中，有关它的性质，却一直是个谜。直至17世纪末叶人们才发现金刚石具有可燃的属性。于是，英国的化学家、德国的物理学家都纷纷登场揭秘。遗憾的是，在过去的石墨转变为金刚石的试验条件中，只有高温而缺乏足够高的压力，因此，石墨是不可能转变为金刚石的。
　　虽然过去的许多尝试都失败了，但这些研究工作却为后来的成功指明了方向。使人们清楚地认识到制造金刚石的过程是一个高压高温过程，也就是说，石墨转变为金刚石只有在超高压和高温同时存在的条件下才有可能实现。
　　1938年，Rossini和Jessup发表了他们计算所得到的金刚石(D)-石墨(G)平衡线，1939年，发表了他计算的D-G平衡线；1947年，P.W.Brigman发表了他计算的D-G平衡线，解决了合成金刚石需要超高压高温的理论问题，即从理论上提供了依据。
　　正因为人造金刚石生长理论和高温高压技术的日趋成熟，昭示了人造金刚石的诞生已噪动于母腹，即将来到人间。
　　1954年美国GE公司宣布了人造金刚石合成成功；瑞典则宣布1953年就合成出了金刚石；1959年南非、1960年苏联和日本相继都宣告合成出了人造金刚石。外国的成就，说明金刚石用人工生产不再是不可逾越的课题。当时这种先进技术对中国是完全封闭的。然而，先行者的成功之例，对中国进行自已的人造金刚石合成技术尝试，已不再是不可行的事。1963年，在我国科技人员的努力下，成功地制造出了中国第一颗人造金刚石。
　　5、钻石曙光 刚刚升起
　　（1）超微结构金刚石控制量子信息的研究
　　目前，世界各国的科学家都十分关注有关制造量子计算机的可行性途径。因为对信息处理而言，量子计算机无疑具有至关重要的作用。以气相沉积法合成出超纯度的单晶金刚石，为量子计算技术所必需的具有特异性能的金刚石结构的研究提供了坚实基础。2008年3月，澳大利亚Melbourne大学的科学家宣布，已研制出世界上最小的金刚石环，直径仅5μm，厚度仅300nm，用于检测单光子，是研制量子计算机所必须完成的第一个元件。根据量子理论，采用金刚石研制的全新型的、运算速度更快的计算机属光学计算技术范畴，对国家高科技领域和国防尖端技术的研究意义非凡。
　　（2）微切削加工的金刚石器件的初步研究
　　目的是研究世界一流的金刚石微电子器件制造工艺，使欧洲具有与日本、美国相抗衡的优势。研究的重点是一种先进的微米级和纳米级的微加工工艺应用于下一代基于人造单晶金刚石的高频大功率电子器件的开发。
　　（3）CVD金刚石窗孔与核聚变能的研究
　　2008年世界上最大的核聚变能项目启动，目的是要论证由氘（重氢）-氚（超重氢）等离子体产生长时间核聚变的可能性。该项目的核心技术是环形核聚变室，用磁场吸持约束温度极高的氘-氚气体混合物。因此，各窗孔必须能够命令1MW左右的微波能量从小于10cm直径的小孔射入而不发生热量散逸，而且还要防止氘-氚混合气体逸出聚变室，这是极其困难的技术要求。
　　CVD金刚石对微波的吸收率很低，而且具有很高的导热性。这两点对避免热量散逸至关重要。此外，CVD金刚石的介电常数小，可避免微波的破坏性回反射波进入用作微波源的回旋管(陀螺振子)。因此，CVD金刚石是迄今最理想的窗孔材料。
　　（4）超高纯金刚石的研究
　　随着量子力学理论付诸实践的可行性，解算技术与密码学的相互交融更趋密切，亟需超高纯的材料来满足这一尖端技术的发展。就量子器件而言，亟需具有量子级纯度的金刚石，采用基于化学气相沉积法的合成技术生产出超高纯度的同位受控单晶金刚石，其顺磁杂质密集度显著降低。具有此性质的金刚石也有可能应用于新型的纳米级磁传感器。这种纳米级磁传感器可应用于生物成像。据称，超高纯度的同位受控CVD金刚石以其高定域分辨率检测弱磁场的性能也可能应用于计量学和生命科学[6]。
　　（5）研发新型CVD金刚石测头
　　测量仪上的测头多用红宝石、蓝宝石或氧化铝、氧化硅等坚硬陶瓷材料制作，由于磨损、温度变化和材料细屑堆积等原因往往引起测头尺寸的改变而导致测量结果不精确。如今用CVD金刚石球做测头解决了这一系列问题。实践证明，CVD金刚石测头在扫描测量硬质材料时磨损显著降低，而扫描测量软质材料如铝基材料等甚少发生材料细屑堆积现象。因此，在应用上具有广阔市场。目前，已初步生产出了两种最常用的测头，直径分别为1mm和3mm。
　　（6）支持新型激光器发展
　　由元素六开发出的高质量金刚石是一种新型功能强大激光器的核心材料，它将在常规激光器之外的诸多领域获得新的应用，如水下成像、医学成像、眼科学以及癌症治疗等。并将有望使拉曼激光达到前所未有的功率以及波长范围。这种独特金刚石材料的出现引发了人们研究小体积、高功率拉曼激光的浓厚兴趣 [7]。
　　（7）用于火灾探测系统中的金刚石紫外传感器
　　目前在日本有90%的火灾发生在居民区，其中有50%的火灾都涉及到年龄在65岁以上的老人，他们往往在火灾中遭到不幸。导致人员伤亡的主要原因是逃逸不及时，所以及早探测出火灾是现在一种极为重要的安全需求。
　　传统传感器是通过探测火情早期发展阶段的热和烟来报警的，紫外线探测型火灾传感器技术，发展到发热和冒烟的危险阶段之前就迅速发现火情。这种金刚石紫外传感器只需要一节9V的干电池就能运转，使用寿命长，能量消耗低[8]。
　　6、钻石时代 千秋辉煌
　　人类对工具材料的探索，经历了漫长的过程：木器时代→石器时代→陶器时代→铜器时代→铁器时代→铝器时代→塑胶时代→硅晶时代→陶瓷时代→碳管时代→钻石时代。随着人类科技的进步，每一时代都会开发出新的材料。钻石是最终的材料，未来物质文明将因进入钻石时代而达到巅峰。
　　钻石过去被认为具有许多神秘的功效，古代的将领常戴着上战场希望获得保佑。
　　1947年De Beers喊出20世纪最成功的广告词:“钻石是永远的”(A Diamond is Forever)。
　　1953年好莱坞影星Marilyn Monroe在影片《男人喜爱金发美女》唱道:“我们的青春魅力终将消失，唯有那些美丽的钻石却永远灿烂，钻石才是女人最好的朋友”。
　　到2000年为止，西方人结婚时80%都以钻石做为定情的信物。
　　宋健民风趣地说:“如果有个人具有阿诺的体型、爱因斯坦的智慧、毕加索的灵感、马友友的琴艺、杰克逊的舞术、阿里的拳风及乔丹的球技，你一定会说即便是上帝也难创造出这样的完人。的确在人间没有这种奇迹，但在物质世界，上帝却赐给人类一个更好的梦幻组合——钻石”[9]。
　　钻石是上帝给予人类的恩赐，她不仅是美丽宝石之王，更是材料之皇。
　　
　　参考文献：
　　1． 唐存印等，俄99%的天然金刚石储藏在北极圈内[J]。超硬材料工程，2006，3：43
　　2． 美国科学家称地球黑色钻石来自外太空[J]超硬材料工程，2008，2：48
　　3．[J]中国超硬材料，2005，3:8
　　4 何 松，天然金刚石.钻石.戴比尔斯(De Beers)[J]超硬材料与宝石(特辑)，2002，4:42~46
　　5 邓华等，恒星周围发现大量碳粒 山峰可能是由金刚石构成[J]。工业金刚石，2006，4：18
　　6.谈忠耀麟，金融危机中元素6公司对超硬材料行业的启示[J]超硬材料工程，2009，5：48~52
　　7．翟世超，人造金刚石支持新型激光器发展[J]工业金刚石2009，3：8
　　8 邓华译，用于火灾探测系统中的金刚石紫外传感器[J]IDR，2006，2
　　9 宋健民，超硬材料[M]金华科技图书股份有限公司，1989
　　10 王春云，中国金刚石使用历史超过4500年[J]超硬材料工程，2005，2:54~56