一天内免费发100颗!在河南县城“钻石卖得像白菜”

科技 俣辰

今年年初,国内各地文旅局花式整活,许多地方隐秘“土特产”闯入了大众的视野。河南洛阳更是出手惊人,大手笔地给游客们赠送钻石,最大的足足有 1 克拉,一天内发了 100 颗!

一时间,网友们小小的脑袋,大大的问号——河南不是农业大省吗?它的特产什么时候变成钻石了?

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图片来源于网络

其实,河南不仅种农作物有一手,“种钻石”也有些年头了,全球 80% 的人造钻石都来自河南,尤其以商丘市柘城县最为集中。

人工培育的钻石,是真的钻石吗?

“钻石恒久远,一颗永流传。”这是大家最耳熟能详的钻石广告,也被视为 20 世纪最成功的广告。因为光彩夺目,又和爱情和婚姻紧紧捆绑,钻石虽然价格昂贵,却一直活跃在大家的目光中。

那如果钻石既能依旧闪耀,价格又远低于现在的价位,是不是非常理想?这时候,就需要人工培育钻石登场了。

培育钻石的英文名是“lab grown diamond”,直译过来是实验室里培育出来的人工钻石。

它们到底是不是真的钻石?当然是!

钻石是宝石级别的金刚石,成分是近乎纯的碳,是石墨等碳物质的同素异形体。在钻石晶体内部,每个碳原子都与周围的四个碳原子紧密结合,形成一种在其他矿物中都不曾见到的特殊三维结构,正是这种致密结构使得钻石成为自然界最坚硬的矿物。

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钻石和石墨的结构对比。二者都由碳原子组成,这也是我们能用石墨制造钻石的原因。图片来源:wikimedia

培育钻石和天然钻石一样,都是纯碳原子构成的晶体,二者的晶体结构、物理性质、化学性质、光学性质本质上没有区别。有专家生动地形容这二者,“天然和人工的区别,就好比河流里的冰跟冰箱里的冰的区别。”

人工培育钻石,是可以得到钻石行业三大鉴定机构发放证书的,足见它的真钻地位得到了官方认可。2018 年,美国联邦贸易委员会对钻石定义进行了调整,首次把培育钻石归到了钻石的大类。

钻石到底是怎么种出来的?

天然钻石埋藏在地球深处。它是含碳矿物和一定比例的铁族金属,在无氧环境中,900℃~1400℃ 的高温和 5~6 GPa的高压下,经过数亿年才能形成。

天然钻石形成时间漫长,获取成本高昂。而人工培育的钻石,只需要数周,甚至几天时间即可生成宝石级的钻石。

目前,培育钻石的方法主要有两种:一是高温高压技术(High Temperature and High Pressure,HPHT);二是化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)。

高温高压技术,是中国的主流钻石培植技术,尤其集中在河南,主要仪器是六面顶压机。

其合成经过是,将包裹有石墨粉、钻石晶种和金属触媒的石墨柱,放入超高温、高压的反应仓内,石墨粉经过金属触媒粉催化,在晶种上结晶。钻石以晶种为中心慢慢长大,一周左右即可生成,最后经过打磨,切割,变成闪亮的新钻石。

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利用了高温高压技术的BARS系统示意图。图片来源:wikimedia

化学气相沉积技术,目前是欧美国家主要使用的方法。它的基本经过是:在高温、低压的真空环境下,把钻石晶种、含碳气体一起放入反应仓内,分解出气体中的活性碳原子,并通过控制生长条件,使活性碳原子均匀地沉积到天然钻石薄片上,形成新的钻石。

两周后,钻石薄片可以有原来的十倍大。这些被石墨包裹的钻石很粗糙,需要用激光进行修整切割,再抛光,然后就是一颗颗闪闪发亮的钻石了。

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化学气相沉积技术培养出的钻石原石。图片来源:wikimedia

两种培育方法各有利弊,核心技术在于原料配比、生产工艺以及机器。CVD 法培育的钻石,培育周期长,成本较高,颜色不易控制,但纯净度高 ,较适宜 5 克拉以上培育钻石合成。HPHT 法培育的钻石,生长速度快,成本低,但纯净度稍差,且无法培育较大的钻石晶体,适合批量生产 1~5 克拉的钻石毛石。

目前,中国、印度、美国分别主导培育钻石生产、加工、零售市场。

河南为什么能大量种起了钻石?

钻石的原石——金刚石起先最重要的作用,不是欣赏,而是用于机械加工。

上世纪五十年代,一些欧美国家成功通过高温高压法、化学气相沉积法等方法成功合成了人工金刚石。

同一时期,新中国为了发展制造业,开始在全国选址兴建砂轮厂,批量制造磨具。因河南巩义发现了大型铝矾土矿,中国第二砂轮制造厂最终落地于郑州。这个砂轮厂以及厂内的郑州三磨所(磨料磨具磨削研究所),就是之后中国超硬材料的“黄埔军校”。

制作磨料磨具需要的核心材料是金刚石。当时中国的金刚石依赖进口,想要加快工业化发展,中国必须研发自己的人造金刚石。

带着这样的历史使命,1960 年,郑州三磨所承接了这个国家研究课题。1963 年,中国终于成功研制出本国的第一颗人造金刚石,是继美国、苏联等国之后的第五个国家。但是,有了人造金刚石还不够,想要量产,就必须有制造金刚石的机器。

1965 年,郑州三磨所和济南铸造锻压机械研究所一起攻关,最终研发出了我国第一台六面顶压机。

六面顶压机的生产效率,是国外两面顶压机的 20 倍。随着这台“功勋压机”的问世,郑州开始成为磨具磨料中心,培养了许多技术人才,奠定了河南在超硬材料的领先地位。中国也由此,开始成为超硬材料的中心,从进口国成为出口国。据统计,河南超硬材料现有规上企业约 300 家,上市公司 7 家。

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技术人员在探讨生产工艺。图片来源:新华社记者 杨静 摄

随着技术的提高,用六面顶压机培育的金刚石,纯度越来越高,很容易达到宝石级别的钻石标准。如今,河南柘城县已经成为中国的“人造钻石之都”,诞生了很多相关的知名企业。

性价比高的人工培育钻石市场买不买单?

目前,市场上宝石级别的天然钻石,1 克拉售价约 2 万起步。虽然开采成本高是一个因素,但价格居高不下的主要原因,还是钻石资源的垄断。有数据显示,世界上的钻石资源有 70% 掌握在五大钻石制造商手中。他们制定着整个行业的游戏规则,拥有绝对的定价权。

但随着人工培育钻石工艺的提高,人造钻石的品质已经可以与天然钻石媲美,且成本据说只有天然钻石的 10% 左右。如此大的利润空间,甚至吸引了像戴比尔斯、施华洛世奇等传统珠宝巨头纷纷开始布局人造钻石市场,LVMH 和 GUCCI 这类奢侈品牌也开始投资相关项目。

对于收藏级别的钻石而言,天然和稀缺性是价值的关键,但作为普通生活中佩戴的饰品而言,人造钻石因其极高的性价比,逐渐被消费者认知,市场前景广阔。

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消费者在选购人造金刚石饰品。图片来源:新华社记者 杨静 摄

很多人关心,戴培育钻石能不能被人看出来?肉眼完全看不出来,无论是从火彩、净度、颜色,它都和真钻一样,只有通过大型仪器,检测二者的光谱才能识别出不同。随着培育钻石工业化的发展,人工钻石的价格还将有所降低。

除了作为宝石观赏人工培育钻石有更广阔前景

看起来只能当艺术品的美丽钻石,其实在工业领域运用非常广泛,更是被称为“工业牙齿”。

因为具有极高的硬度,钻石长期被使用在小到玻璃切割、手工研磨、机床工具,大到石油与天然气钻井、地质勘探、煤炭及矿物采掘、新能源等生产领域。

除此之外,钻石本身化学性质稳定,耐受酸性和碱性,还有极高的导热性,被视为是比“硅”更环保,更高效,更理想的终极半导体材料。

当前,市面上绝大部分的半导体材料使用的是硅。但硅有一些弱点——容易发热,且冷却效率低下,还是电子垃圾的主要来源。而钻石则完全没有这些问题。钻石半导体能够提高功率密度,还可以制造出更快、更轻、更简单的设备。人工培育钻石未来很重要的一个布局是,在光学、热学及半导体研究上得到应用。

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策划制作

作者丨阿墩 科普创作者

审核丨高源  国家自然博物馆  副研究馆员

策划丨林林

责编丨何通

审校丨徐来、林林

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