2019年中科院寧波材料所僅用短短幾周時間，就以甲烷氣體為主要原料合成出壹顆36克拉的高純凈度金剛石，這標誌著我國突破了大體積單晶金剛石的生產工藝。未來，更大體積的金剛石將源源不斷地進入生產和生活領域。那麽科學家為什麽要人工合成金剛石？人工合成金剛石到底又有什麽用途呢？
金剛石是什麽
其實金剛石和鉆石是同壹種物質，只不過金剛石是壹個礦物學名稱，而鉆石是壹個珠寶學名稱，高純凈度的金剛石就是“鉆石”。
金剛石有什麽用？
我們平常用的玻璃刀，頂端實際上就是金剛石。精密機械加工使用的刀具、石油鉆井所用的鉆頭，表面上都會鍍上金剛石，以提高它們的耐磨性。因為金剛石是世界上最硬的天然物質。
金剛石還有壹個特點，就是導熱性特別好。它的導熱能力約為室溫條件下純銅熱導率的5倍。在半導體行業領域具有潛在的重要應用。根據摩爾定律，現在大規模集成電路的元件，尺寸不斷縮小，密度不斷提高，導致它們的熱負荷不斷攀升。如果熱量不及時散出去，那麽就可能燒壞半導體的電路板、燒毀元器件。如果我們能利用金剛石的高熱導率，作為大規模集成電路的基板或者散熱片，它就可以及時地把熱量散出去，解決現在制約電子元件發展的瓶頸。
為什麽要“人造”金剛石？
金剛石應用領域廣泛，但我國金剛石儲量並不豐富，僅靠天然金剛石難以滿足工業需求。為改變這壹現狀，上世紀60年代，經過刻苦攻關，我國逐步掌握了“人造”金剛石的技術，而進入21世紀後，人工合成金剛石產業突飛猛進，近幾年更是占據了世界工業用金剛石90%的產量。另壹方面，我國也在不斷提升“人造”金剛石的生產工藝，努力生產出更大顆粒、更高純凈度的金剛石。
“人造”金剛石的方法有哪些？
目前通常有三種常用的人工合成鉆石的方法。
第壹種叫爆轟法。天然鉆石的形成條件是壹個高溫高壓環境，那麽怎麽產生高溫高壓的這麽壹個特殊環境狀態？簡單粗暴的方法就是引爆炸藥。如果把含有石墨的炸藥放到壹種特殊的容器裏邊，然後把炸藥引爆，它會瞬間產生很強的壓強和很高的溫度，那麽就可以把這些石墨轉化成為金剛石。這種方法可以得到很多細粉末的金剛石。它的顆粒很小，只有5~15個納米，作為珠寶首飾的應用可能是有限的，但是它作為工業用的磨料，還是非常重要的。
第二種方法叫高溫高壓法。這是在相對長的壹段穩定時間內，保持高壓高溫的壹個環境，讓石墨慢慢轉變成金剛石。通過控制合成條件和時間，鉆石就可以不斷長大。在壹天左右的時間，就可以獲得5個毫米的金剛石。
第三種方法叫化學氣相沈積法，這是上世紀90年代逐漸發展起來壹種方法。這種方法主要是利用壹些含碳的氣體，例如甲烷和氫氣的壹些混合氣作為壹個碳源，在壹定的能量輸入下，將甲烷氣體分解，在基底上成核，長大轉變成金剛石。這種方法的優點是效率比較高，相對可控，而且它可以得到純凈無雜質的透明的金剛石，這是目前發展的壹個重要方向。
未來，金剛石合成將朝高純度大顆粒的方向發展。對於金剛石的需求，我們將不再僅僅依賴大自然的饋贈，而人工合成金剛石也將進入更多生產領域，得到更廣泛的應用。
健康 提示：請出門戴口罩、勤洗手、多通風，少去人群密集處。
透視新 科技
《金剛石合成新方法》
播出時間：6月20日 19:31
監制 / 閆東 主編 / 劉銘 黃麗君
編輯 / 張蘭 楊力 徐晟源（實習）