今年年初，國內(nèi)各地文旅局花式整活，許多地方隱秘“土特產(chǎn)”闖入了大眾的視野。河南洛陽更是出手驚人，大手筆地給游客們贈送鉆石，最大的足足有 1 克拉，一天內(nèi)發(fā)了 100 顆！

一時間，網(wǎng)友們小小的腦袋，大大的問號——河南不是農(nóng)業(yè)大省嗎？它的特產(chǎn)什么時候變成鉆石了？

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

其實，河南不僅種農(nóng)作物有一手，“種鉆石”也有些年頭了，全球 80% 的人造鉆石都來自河南，尤其以商丘市柘城縣最為集中。

人工培育的鉆石，是真的鉆石嗎？

“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳。”這是大家最耳熟能詳?shù)你@石廣告，也被視為 20 世紀(jì)最成功的廣告。因為光彩奪目，又和愛情和婚姻緊緊捆綁，鉆石雖然價格昂貴，卻一直活躍在大家的目光中。

那如果鉆石既能依舊閃耀，價格又遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的價位，是不是非常理想？這時候，就需要人工培育鉆石登場了。

培育鉆石的英文名是“l(fā)ab grown diamond”，直譯過來是實驗室里培育出來的人工鉆石。

它們到底是不是真的鉆石？當(dāng)然是！

鉆石是寶石級別的金剛石，成分是近乎純的碳，是石墨等碳物質(zhì)的同素異形體。在鉆石晶體內(nèi)部，每個碳原子都與周圍的四個碳原子緊密結(jié)合，形成一種在其他礦物中都不曾見到的特殊三維結(jié)構(gòu)，正是這種致密結(jié)構(gòu)使得鉆石成為自然界最堅硬的礦物。

鉆石和石墨的結(jié)構(gòu)對比。二者都由碳原子組成，這也是我們能用石墨制造鉆石的原因。圖片來源：wikimedia

培育鉆石和天然鉆石一樣，都是純碳原子構(gòu)成的晶體，二者的晶體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)本質(zhì)上沒有區(qū)別。有專家生動地形容這二者，“天然和人工的區(qū)別，就好比河流里的冰跟冰箱里的冰的區(qū)別。”

人工培育鉆石，是可以得到鉆石行業(yè)三大鑒定機(jī)構(gòu)發(fā)放證書的，足見它的真鉆地位得到了官方認(rèn)可。2018 年，美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會對鉆石定義進(jìn)行了調(diào)整，首次把培育鉆石歸到了鉆石的大類。

鉆石到底是怎么種出來的？

天然鉆石埋藏在地球深處。它是含碳礦物和一定比例的鐵族金屬，在無氧環(huán)境中，900℃~1400℃ 的高溫和 5~6 GPa的高壓下，經(jīng)過數(shù)億年才能形成。

天然鉆石形成時間漫長，獲取成本高昂。而人工培育的鉆石，只需要數(shù)周，甚至幾天時間即可生成寶石級的鉆石。

目前，培育鉆石的方法主要有兩種：一是高溫高壓技術(shù)（High Temperature and High Pressure，HPHT）；二是化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)。

高溫高壓技術(shù)，是中國的主流鉆石培植技術(shù)，尤其集中在河南，主要儀器是六面頂壓機(jī)。

其合成經(jīng)過是，將包裹有石墨粉、鉆石晶種和金屬觸媒的石墨柱，放入超高溫、高壓的反應(yīng)倉內(nèi)，石墨粉經(jīng)過金屬觸媒粉催化，在晶種上結(jié)晶。鉆石以晶種為中心慢慢長大，一周左右即可生成，最后經(jīng)過打磨，切割，變成閃亮的新鉆石。

利用了高溫高壓技術(shù)的BARS系統(tǒng)示意圖。圖片來源：wikimedia

化學(xué)氣相沉積技術(shù)，目前是歐美國家主要使用的方法。它的基本經(jīng)過是：在高溫、低壓的真空環(huán)境下，把鉆石晶種、含碳?xì)怏w一起放入反應(yīng)倉內(nèi)，分解出氣體中的活性碳原子，并通過控制生長條件，使活性碳原子均勻地沉積到天然鉆石薄片上，形成新的鉆石。

兩周后，鉆石薄片可以有原來的十倍大。這些被石墨包裹的鉆石很粗糙，需要用激光進(jìn)行修整切割，再拋光，然后就是一顆顆閃閃發(fā)亮的鉆石了。

化學(xué)氣相沉積技術(shù)培養(yǎng)出的鉆石原石。圖片來源：wikimedia

兩種培育方法各有利弊，核心技術(shù)在于原料配比、生產(chǎn)工藝以及機(jī)器。CVD 法培育的鉆石，培育周期長，成本較高，顏色不易控制，但純凈度高 ，較適宜 5 克拉以上培育鉆石合成。HPHT 法培育的鉆石，生長速度快，成本低，但純凈度稍差，且無法培育較大的鉆石晶體，適合批量生產(chǎn) 1~5 克拉的鉆石毛石。

目前，中國、印度、美國分別主導(dǎo)培育鉆石生產(chǎn)、加工、零售市場。

河南為什么能大量種起了鉆石？

鉆石的原石——金剛石起先最重要的作用，不是欣賞，而是用于機(jī)械加工。

上世紀(jì)五十年代，一些歐美國家成功通過高溫高壓法、化學(xué)氣相沉積法等方法成功合成了人工金剛石。

同一時期，新中國為了發(fā)展制造業(yè)，開始在全國選址興建砂輪廠，批量制造磨具。因河南鞏義發(fā)現(xiàn)了大型鋁礬土礦，中國第二砂輪制造廠最終落地于鄭州。這個砂輪廠以及廠內(nèi)的鄭州三磨所（磨料磨具磨削研究所），就是之后中國超硬材料的“黃埔軍校”。

制作磨料磨具需要的核心材料是金剛石。當(dāng)時中國的金剛石依賴進(jìn)口，想要加快工業(yè)化發(fā)展，中國必須研發(fā)自己的人造金剛石。

帶著這樣的歷史使命，1960 年，鄭州三磨所承接了這個國家研究課題。1963 年，中國終于成功研制出本國的第一顆人造金剛石，是繼美國、蘇聯(lián)等國之后的第五個國家。但是，有了人造金剛石還不夠，想要量產(chǎn)，就必須有制造金剛石的機(jī)器。

1965 年，鄭州三磨所和濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所一起攻關(guān)，最終研發(fā)出了我國第一臺六面頂壓機(jī)。

六面頂壓機(jī)的生產(chǎn)效率，是國外兩面頂壓機(jī)的 20 倍。隨著這臺“功勛壓機(jī)”的問世，鄭州開始成為磨具磨料中心，培養(yǎng)了許多技術(shù)人才，奠定了河南在超硬材料的領(lǐng)先地位。中國也由此，開始成為超硬材料的中心，從進(jìn)口國成為出口國。據(jù)統(tǒng)計，河南超硬材料現(xiàn)有規(guī)上企業(yè)約 300 家，上市公司 7 家。

技術(shù)人員在探討生產(chǎn)工藝。圖片來源：新華社記者 楊靜 攝

隨著技術(shù)的提高，用六面頂壓機(jī)培育的金剛石，純度越來越高，很容易達(dá)到寶石級別的鉆石標(biāo)準(zhǔn)。如今，河南柘城縣已經(jīng)成為中國的“人造鉆石之都”，誕生了很多相關(guān)的知名企業(yè)。

性價比高的人工培育鉆石市場買不買單？

目前，市場上寶石級別的天然鉆石，1 克拉售價約 2 萬起步。雖然開采成本高是一個因素，但價格居高不下的主要原因，還是鉆石資源的壟斷。有數(shù)據(jù)顯示，世界上的鉆石資源有 70% 掌握在五大鉆石制造商手中。他們制定著整個行業(yè)的游戲規(guī)則，擁有絕對的定價權(quán)。

但隨著人工培育鉆石工藝的提高，人造鉆石的品質(zhì)已經(jīng)可以與天然鉆石媲美，且成本據(jù)說只有天然鉆石的 10% 左右。如此大的利潤空間，甚至吸引了像戴比爾斯、施華洛世奇等傳統(tǒng)珠寶巨頭紛紛開始布局人造鉆石市場，LVMH 和 GUCCI 這類奢侈品牌也開始投資相關(guān)項目。

對于收藏級別的鉆石而言，天然和稀缺性是價值的關(guān)鍵，但作為普通生活中佩戴的飾品而言，人造鉆石因其極高的性價比，逐漸被消費者認(rèn)知，市場前景廣闊。

消費者在選購人造金剛石飾品。圖片來源：新華社記者 楊靜 攝

很多人關(guān)心，戴培育鉆石能不能被人看出來？肉眼完全看不出來，無論是從火彩、凈度、顏色，它都和真鉆一樣，只有通過大型儀器，檢測二者的光譜才能識別出不同。隨著培育鉆石工業(yè)化的發(fā)展，人工鉆石的價格還將有所降低。

除了作為寶石觀賞人工培育鉆石有更廣闊前景

看起來只能當(dāng)藝術(shù)品的美麗鉆石，其實在工業(yè)領(lǐng)域運用非常廣泛，更是被稱為“工業(yè)牙齒”。

因為具有極高的硬度，鉆石長期被使用在小到玻璃切割、手工研磨、機(jī)床工具，大到石油與天然氣鉆井、地質(zhì)勘探、煤炭及礦物采掘、新能源等生產(chǎn)領(lǐng)域。

除此之外，鉆石本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐受酸性和堿性，還有極高的導(dǎo)熱性，被視為是比“硅”更環(huán)保，更高效，更理想的終極半導(dǎo)體材料。

當(dāng)前，市面上絕大部分的半導(dǎo)體材料使用的是硅。但硅有一些弱點——容易發(fā)熱，且冷卻效率低下，還是電子垃圾的主要來源。而鉆石則完全沒有這些問題。鉆石半導(dǎo)體能夠提高功率密度，還可以制造出更快、更輕、更簡單的設(shè)備。人工培育鉆石未來很重要的一個布局是，在光學(xué)、熱學(xué)及半導(dǎo)體研究上得到應(yīng)用。

策劃制作

作者丨阿墩 科普創(chuàng)作者

審核丨高源  國家自然博物館  副研究館員

策劃丨林林

責(zé)編丨何通

審校丨徐來、林林