這里有兩顆鉆石，左邊這顆是在地底經(jīng)過(guò)上百萬(wàn)年才形成的天然鉆石，而右邊這顆是用機(jī)械設(shè)備只花了三四天合成的人造鉆石。

       這兩種鉆石有什么區(qū)別？怎樣才能合成一顆高品質(zhì)的人造鉆石？

       鉆石，又叫金剛石，和鉛筆芯的主要成分——石墨一樣，都由碳原子組成。但結(jié)構(gòu)的差異卻讓石墨在莫氏硬度等級(jí)中只排在最低的 1 級(jí)，鉆石則位于最高的 10 級(jí)。

       碳原子之間之所以會(huì)形成不同的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵在于壓力和溫度。

       從這張?zhí)枷鄨D可以看出，在不同的壓力和溫度條件下，碳原子會(huì)變成石墨、鉆石、液體等各種形態(tài)。

       其中 GPa 是壓強(qiáng)單位，1GPa 相當(dāng)于一只 10 噸的非洲象踩在你小腳趾上的力量。

       這個(gè)區(qū)間就是天然鉆石的形成條件。

       在地下 100~300km，約 4.5~6GPa 、1000~1500℃ 的環(huán)境下，碳元素經(jīng)過(guò)兩三百萬(wàn)年的擠壓匯聚才形成鉆石，最后由火山活動(dòng)帶到地表。

       因此，只要根據(jù)碳相圖人為地創(chuàng)造相應(yīng)的壓力和溫度條件，就能合成出鉆石。

       最簡(jiǎn)單粗暴的是爆炸法。

       把含碳原子的 TNT 和轟爆壓力非常高的 RDX 兩種炸藥混合，在鋼制厚壁罐體中引爆，產(chǎn)生 1000℃ 以上的高溫和 30GPa 的超高壓，TNT 中的一部分碳原子就會(huì)聚合成 5~15nm 大小的鉆石，稱(chēng)為金剛石粉。

       金剛石粉無(wú)法直接用作珠寶，但可以通過(guò)高壓高溫法制造大顆粒鉆石。

       這是一臺(tái)六面頂壓機(jī)，由三軸互成 90° 的六個(gè)頂錘以及里面用于合成鉆石的生長(zhǎng)艙組成。

       生長(zhǎng)艙外面是葉臘石，可以很好地傳導(dǎo)壓力。

       里面主要分兩層，上層是金剛石粉，下層是金屬觸媒，一般為鎳鐵，起催化作用，加快鉆石合成速度，底部有一塊不到 1mm 的天然或人造鉆石作為晶種。

       啟動(dòng)時(shí)，頂錘向內(nèi)擠壓提供 5~6GPa 的高壓，通過(guò)導(dǎo)電使碳加熱棒升溫，讓生長(zhǎng)艙的溫度達(dá)到到 1200℃ 以上，并在上下?tīng)I(yíng)造一個(gè) 20~50℃ 的溫度差。

       此時(shí)，金屬觸媒將熔融，金剛石粉則會(huì)溶解到金屬觸媒中變成游離的碳原子，且高溫區(qū)的碳原子濃度會(huì)比低溫區(qū)高。

       為了達(dá)到濃度平衡，高溫區(qū)的碳原子就會(huì)向低溫區(qū)擴(kuò)散，不斷沉淀到晶種上。

       經(jīng)過(guò)一周就能收獲一顆約 5mm 的合成鉆石。

       除了六面頂壓機(jī)，還有兩面以及分球式頂壓機(jī)可用于合成鉆石。

       鉆石的大小可以用克拉衡量，1 克拉等于 0.2 克。

       傳統(tǒng)高壓高溫法合成的鉆石克拉數(shù)較小，而且金屬觸媒會(huì)在鉆石內(nèi)留有殘?jiān)瑱C(jī)器內(nèi)極少量的氮元素還會(huì)混入鉆石中，讓鉆石呈現(xiàn)黃色。

       根據(jù)鉆石的 4C 標(biāo)準(zhǔn)，這種鉆石通常處于中低端，甚至只能作為工業(yè)用途，拿來(lái)制造鉆頭、刀具、磨盤(pán)等。

       相比之下，化學(xué)氣相沉淀法可以大幅改善這些缺陷。

       這種方法同樣需要晶種，經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光、酸處理等方式處理掉表面雜質(zhì)后。

       放在只有十分之一大氣壓的真空室中，注入甲烷氣體和氫氣，通過(guò)微波等方式加熱到 800~1000℃。

       此時(shí)，甲烷會(huì)分解出碳原子，形成等離子體，降落在底部的晶種上，沉淀結(jié)晶，能以每小時(shí)0.006mm 的速度生長(zhǎng)，不出兩天，就會(huì)獲得一顆周?chē)你@石。

       這種方法合成的鉆石能達(dá)到高級(jí)天然鉆石的顏色和純凈度，克拉數(shù)也更高。

       2017年，德國(guó)奧格斯堡大學(xué)合成出了一塊直徑 92mm、155 克拉的鉆石。

       合成鉆石也是貨真價(jià)實(shí)的鉆石，成分、結(jié)構(gòu)與天然鉆石完全相同。

       兩者只能通過(guò)非常特殊的方式區(qū)分，比如在陰極發(fā)光儀下，前者的生長(zhǎng)紋理呈幾何狀，而后者呈環(huán)帶狀。

       從 2006 年開(kāi)始，GIA 等珠寶機(jī)構(gòu)開(kāi)始提供鑒定服務(wù)并發(fā)放證書(shū)，主要為了防止商家用價(jià)格較低的合成鉆石冒充天然鉆石銷(xiāo)售。

       2017 年，合成鉆石的平均售價(jià)只比天然鉆石便宜 10~20%，一年之后，這個(gè)差距已經(jīng)拉開(kāi)到 30~40% 。

而這個(gè)差距將越來(lái)越大，因?yàn)椋袊?guó)人來(lái)了。

       中國(guó)的工業(yè)級(jí)合成鉆石年產(chǎn)量占世界份額 90% 以上，而且集中于河南省的三家公司。

       但以豫金剛石為例，除了傳統(tǒng)的工業(yè)級(jí)金剛石，每年制造的無(wú)色寶石級(jí)鉆石也可達(dá) 200~300 萬(wàn)克拉。

       論技術(shù)實(shí)力，中國(guó)每年一千萬(wàn)克拉的寶石級(jí)鉆石進(jìn)口量很快就可以由河南一省來(lái)生產(chǎn)，不過(guò)，就看你愿不愿意買(mǎi)了。