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怕光、怕撞、能合成...鑽石真的值那麼多錢嗎?

http://finance.sina.com   2020年05月20日 18:37   北京同乐城国际线址網

  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!”

鑽石等於愛情? 鑽石等於愛情? 

  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才行。

  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。

千萬不要在太陽底下用放大鏡觀察鑽石!千萬不要在太陽底下用放大鏡觀察鑽石!

  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。

 不同溫度和壓力條件下水的形態和碳的形態 不同溫度和壓力條件下水的形態和碳的形態

  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。

 鑽石和石墨的原子結構圖  鑽石和石墨的原子結構圖 

  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。

 CVD法合成鑽石設備和生長示意圖  CVD法合成鑽石設備和生長示意圖 
 HPHT法制備鑽石設備和內部示意圖  HPHT法制備鑽石設備和內部示意圖 

  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。

人工合成各種顏色鑽石 人工合成各種顏色鑽石 
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