实际上如何制造金刚石这个话题在头条上已有类似介绍,一个是,另一个是。
但是包括两篇文章在内的类似讯息都无意介绍为什么能这么搞,也漏掉了一些合成手段。
Lightbox的人工彩钻
为了弥补这些遗憾,本文将多介绍几种人工合成金刚石的方法,以及方法背后的原理。
know what, know how更要know why,原理的介绍是本文的重心。
天然金刚石的形成机理
说是科普人造金刚石的原理,为啥要先介绍天然金刚石的形成呢?
因为人造金刚石的思路很多正是借鉴于此。
天然金刚石的生成方式主要有两种:一是天体撞击,二是地质作用[1]。
蓝色钻石的一种生成假说,蓝钻里的硼是从海里来的
两种作用背后的原理几乎一致,往简单了说:在高温高压条件下,含碳物中的碳被还原成碳原子,一个个碳原子堆积成金刚石结构。
对于“高温”和“高压”的数据,不同文献里的还相差不少,但是基本都在1400°C和5.5万个大气压左右。总之不是人呆的地方。
这就有个问题了,为什么被还原出来的游离碳原子不去形成铅笔里的那种石墨,而是金刚石呢?
这得从热力学的角度讲一讲:
碳的相图
A点:我们生活的环境温度不高,压力不高,可以看出A点位于“石墨稳相和金刚石亚稳相”,意思就是在这个压力-温度区域内,石墨是热力学上稳定的,而金刚石则不稳定,有自发变成石墨的趋势。
B点:地底是高温高压的环境,已经处于“金刚石稳相和石墨亚稳相”,类比地,这个区域内,石墨不稳定,金刚石稳定,所以游离碳原子会自发以sp3杂化的形式堆积成金刚石,而非sp2的石墨。