金刚石也能“长”出来

2019年中科院宁波材料所仅用短短几周时间，就以甲烷气体为主要原料合成出一颗36克拉的高纯净度金刚石，这标志着我国突破了大体积单晶金刚石的生产工艺。未来，更大体积的金刚石将源源不断地进入生产和生活领域。那么科学家为什么要人工合成金刚石？人工合成金刚石到底又有什么用途呢？

金刚石是什么

其实金刚石和钻石是同一种物质，只不过金刚石是一个矿物学名称，而钻石是一个珠宝学名称，高纯净度的金刚石就是“钻石”。

金刚石有什么用？

我们平常用的玻璃刀，顶端实际上就是金刚石。精密机械加工使用的刀具、石油钻井所用的钻头，表面上都会镀上金刚石，以提高它们的耐磨性。因为金刚石是世界上最硬的天然物质。

金刚石还有一个特点，就是导热性特别好。它的导热能力约为室温条件下纯铜热导率的5倍。在半导体行业领域具有潜在的重要应用。根据摩尔定律，现在大规模集成电路的元件，尺寸不断缩小，密度不断提高，导致它们的热负荷不断攀升。如果热量不及时散出去，那么就可能烧坏半导体的电路板、烧毁元器件。如果我们能利用金刚石的高热导率，作为大规模集成电路的基板或者散热片，它就可以及时地把热量散出去，解决现在制约电子元件发展的瓶颈。

为什么要“人造”金刚石？

金刚石应用领域广泛，但我国金刚石储量并不丰富，仅靠天然金刚石难以满足工业需求。为改变这一现状，上世纪60年代，经过刻苦攻关，我国逐步掌握了“人造”金刚石的技术，而进入21世纪后，人工合成金刚石产业突飞猛进，近几年更是占据了世界工业用金刚石90%的产量。另一方面，我国也在不断提升“人造”金刚石的生产工艺，努力生产出更大颗粒、更高纯净度的金刚石。

“人造”金刚石的方法有哪些？

目前通常有三种常用的人工合成钻石的方法。

第一种叫爆轰法。天然钻石的形成条件是一个高温高压环境，那么怎么产生高温高压的这么一个特殊环境状态？简单粗暴的方法就是引爆炸药。如果把含有石墨的炸药放到一种特殊的容器里边，然后把炸药引爆，它会瞬间产生很强的压强和很高的温度，那么就可以把这些石墨转化成为金刚石。这种方法可以得到很多细粉末的金刚石。它的颗粒很小，只有5~15个纳米，作为珠宝首饰的应用可能是有限的，但是它作为工业用的磨料，还是非常重要的。

第二种方法叫高温高压法。这是在相对长的一段稳定时间内，保持高压高温的一个环境，让石墨慢慢转变成金刚石。通过控制合成条件和时间，钻石就可以不断长大。在一天左右的时间，就可以获得5个毫米的金刚石。

第三种方法叫化学气相沉积法，这是上世纪90年代逐渐发展起来一种方法。这种方法主要是利用一些含碳的气体，例如甲烷和氢气的一些混合气作为一个碳源，在一定的能量输入下，将甲烷气体分解，在基底上成核，长大转变成金刚石。这种方法的优点是效率比较高，相对可控，而且它可以得到纯净无杂质的透明的金刚石，这是目前发展的一个重要方向。

未来，金刚石合成将朝高纯度大颗粒的方向发展。对于金刚石的需求，我们将不再仅仅依赖大自然的馈赠，而人工合成金刚石也将进入更多生产领域，得到更广泛的应用。

健康 提示：请出门戴口罩、勤洗手、多通风，少去人群密集处。

透视新 科技

《金刚石合成新方法》

播出时间：6月20日 19:31

监制 / 闫东 主编 / 刘铭 黄丽君

编辑 / 张兰 杨力 徐晟源（实习）