為什么大自然需要經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的時(shí)間在地底形成鉆石,而科學(xué)家卻能在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)出一樣的結(jié)果呢?那是因?yàn)殂@石與石墨(常見用途為鉛筆筆芯),兩者的組成元素皆為碳(C),但由于原子排列方式不同,造成特性的天壤之別。「科技始終來(lái)自于人性」,天然鉆石不僅價(jià)格不斐,并且開采過(guò)程不易,甚至牽扯人性、環(huán)境保護(hù)、價(jià)格操縱壟斷等問(wèn)題,因此如果實(shí)驗(yàn)室將石墨進(jìn)行重新排列,并且給予足夠大的能量,就能夠變成閃閃發(fā)亮的鉆石。
培育鉆石又因制作方法的不同,分為:
? HPHT鉆石:高溫高壓法(High-Pressure & High-Temperature)
? CVD鉆石:化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)
HPHT是一種較為傳統(tǒng)的鉆石培育方法,此法是透過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的特殊裝置,來(lái)模擬地球深處天然鉆石形成時(shí)的高壓高溫環(huán)境(約5萬(wàn)大氣壓力、1300~1600°C),用裝置內(nèi)的碳材料制造培育鉆石。
HPHT鉆石的生長(zhǎng)過(guò)程:
1. 將鉆石晶種置于專門打造的壓力條件下。
2. 將生長(zhǎng)室加熱至1300~1600°C,壓力高于5萬(wàn)大氣壓。
3. 熔融金屬(鐵、鎳、鈷等元素)將高純度碳源分解。
4. 碳原子沉積在一小塊鉆石晶種上,培育鉆石開始生長(zhǎng),結(jié)晶過(guò)程需要數(shù)天至數(shù)週時(shí)間,以形成一個(gè)或多個(gè)晶體。
制造無(wú)色的HPHT培育鉆石曾是一大難題,因?yàn)榈獣?huì)使鉆石變黃,過(guò)去技術(shù)尚未成熟時(shí),培育出的鉆石會(huì)呈橙色、黃色不等,但多年來(lái),隨著技術(shù)進(jìn)步,HPHT培育鉆石的顏色不斷改善。除了使用于生長(zhǎng)鉆石之外,HPHT法還可應(yīng)用于改變天然鉆石的顏色,使其變?yōu)闊o(wú)色、粉紅色、綠色、藍(lán)色或黃色。
以HPHT法培育鉆石,鉆石的顏色等級(jí)通常可以達(dá)到D、E、F無(wú)色,少部分技術(shù)尚未成熟之實(shí)驗(yàn)室會(huì)出現(xiàn)H級(jí)以下的顏色;淨(jìng)度方面多半是 VS~SI 等級(jí)。高淨(jìng)度的無(wú)色鉆石需要更長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間,其生長(zhǎng)所需溫度和壓力條件也需要得到更精準(zhǔn)的控制。
▼ 左圖為HPHT鉆石未切磨前的原樣,右圖為HPHT鉆石生長(zhǎng)設(shè)備。
CVD鉆石(化學(xué)氣相沉積法)
上面提到的高溫高壓法,培育鉆石過(guò)程緩慢,于是到了1960年,為了改善HPHT生產(chǎn)方式的缺點(diǎn),科學(xué)家發(fā)展出化學(xué)氣相沉積法(CVD),是更為新型的鉆石培育方法。
CVD 鉆石的生長(zhǎng)過(guò)程:
1. 將鉆石晶種置于鉆石生長(zhǎng)室中(真空環(huán)境),并去除一切雜質(zhì)。
2. 生長(zhǎng)室中注入甲烷和氫氣。
3. 將生長(zhǎng)室加熱至900~1200°C。
4. 啟動(dòng)高功率微波,使碳原子與氫原子分開。
5. 游離的碳原子逐漸附著到晶種上,慢慢沉積成結(jié)晶狀的鉆石,并複制晶種的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。
大多數(shù)CVD培育鉆石最初都是褐色的,但也可以生產(chǎn)出近無(wú)色或呈淺黃色的晶體,有時(shí)帶有石墨邊緣。HPHT可用于改善CVD鉆石的顏色,使鉆石顏色達(dá)到近乎無(wú)色的范圍。被選擇切磨成寶石的「無(wú)色」CVD鉆石,其淨(jìng)度往往比天然鉆石高,大多在VVS2至VS1之間。
▼ 左圖為CVD鉆石未切磨前的原樣,右圖為CVD鉆石生長(zhǎng)設(shè)備。