編者按：王光祖教授一生鐘愛人造金剛石事業(yè)，他的詩“與鉆石相遇，一見情鐘。為鉆石而研，死而無憾!”就是他本人寫照。年已古稀的他，依然孜孜不倦的學習，博覽群書，至今筆耕不輟。本文是王光祖老先生博覽群書、有感而發(fā)，寫出的別具風格，帶有文學色彩的一篇科普性文章，想象力豐富，語言風趣。現(xiàn)刊載如下，以饗讀者。
　　作者撰寫該文的本意有啟發(fā)更多年輕專家參加撰寫帶有趣味性科普文章，使更多的人（包括領導）了解我們這個深奧而富有傳奇色彩的金剛石行業(yè)，促進我國金剛石及應用工業(yè)大發(fā)展。
　　 中國超硬材料網(wǎng)總經(jīng)理劉金昌
　　 2010年8月18日

　　金剛石——無邊無垠無止境的話題
　　鄭州磨料磨具磨削研究所 王光祖

　　極致與超越：材料原分三大類，即堅硬的陶瓷、導電的金屬和柔軟的塑料，然而鉆石（人們常稱之為金剛石）不屬于傳統(tǒng)材料，它的性質超乎尋常以至成為終極的材料之王。
　　鉆石的極端性質，具有王者風范，因此它的用途也成為材料的極致。鉆石不僅在性能上超越傳統(tǒng)材料，在許多領域鉆石更成為唯一的能者(enabler)。因此，可視為上帝賜給人類的“超越物質”。
　　無瑖的魅力：與鉆石相遇，一見情鐘。
　　永恒的追索：為鉆石而研，死而無憾!
　　金剛石是自然界極為稀有的一種礦物，早在公元前三千年就在印度被發(fā)現(xiàn)，是一種富有神秘傳奇色彩的古老晶體。通過千百年來不懈的技術探秘與觀測，人們逐漸地認識到金剛石是一種集力、電、光、熱、聲等眾多特性于一體的可貴材料，其所特有的優(yōu)異性能，是迄今已知其它任何材料不可比擬的。正是這些難能可貴的綜合優(yōu)異特性，使得它的用途成為材料極致，具有“材料王者”之風范。
　　雖然千萬年的時光已逝去，而堪稱古老的金剛石晶體卻永葆青春，長盛不衰，服務于人類社會無邊的境地。可是，迄今人們對它的應用還只是“冰山” 之一角。倘若有朝一日金剛石材料的應用能得以普及，那將使人類物質文明達到顛峰，進入永遠的“金剛石時代”。由于沒有任何物質可以取代金剛石，那么，“金剛石時代”來臨之后也將不可替代。同一個絢麗多彩的金剛石世界，同一個唯妙唯肖的金剛石夢想，讓我們用智慧和辛勞，來共同構筑金剛石時代的美好未來，奮力實現(xiàn)人類對物質文明追求的最高愿望和目標。
　　1、無邊太空 珍藏奧秘
　　
　　閃閃爍爍小星星，
　　讓我知道你是啥?
　　遠離塵世這么高，
　　像是鉆石懸天邊。（太空）
　　Twinkle，twinkle，little star
　　How I wonder what you are?
　　Up above the world so high，
　　Like a diamond in the sky。
　　
　　1806年，Jane Taylor已在兒歌“Diamond in the sky”描述天上的星星看起來像鉆石，這首兒歌現(xiàn)在已經(jīng)戲言成真。
　　不僅天空上高懸著許多鉆石星，星際間也迷漫碳與氫化物，其中最多的為甲烷。甲烷的結構是一個四面體，其四個角兒各有一個氫原子，位于中央的碳原子其四個外圍的價電子被氫原子拉扯突出就形成鉆石(SP3)，所以甲烷其實是單原子的鉆石。
　　甲烷互相撞擊聚集組成多原子鉆石，星際的塵埃中就含有納米鉆石，隕石內(nèi)及慧星裹內(nèi)也蘊藏著納米鉆石。太陽系外圍的氣相行星，包括木星、土星、天王星及海王星都含有豐富的甲烷。甲烷在高溫和高壓下分解并沉積出鉆石，因此，在這些氣相行星內(nèi)的大氣會飄下鉆石的“雪花”。“鉆石雪花”沉積到星球的內(nèi)部會被加熱，在高溫下它會熔成“鉆石雨滴”。鉆石大雨在星球內(nèi)部會匯集成“鉆石河流”，“鉆石河流”也會流向星球更深處的“鉆石海洋”。
　　古代的人看到閃爍的星星不知道它是什么東西，因此，賦予神秘色彩。現(xiàn)代的科學家以天文望遠鏡測量一些星星的光譜，已經(jīng)證明其內(nèi)含有大量鉆石。銀河系內(nèi)即有大量的鉆石巨星，這種鉆石星內(nèi)的鉆石會比整個地球，甚至太陽的質量還大。

宇宙內(nèi)充斥的甲烷是懸浮的單原子鉆石

　　2、無垠大地 深埋神奇
　　地域遼闊、礦藏豐富的俄羅斯北部地區(qū)有將近36%的領土都在北極圈內(nèi)，這里也是俄羅斯最富饒的地方，大部分礦產(chǎn)資源都蘊藏于此。由于這些地區(qū)的土壤是永久凍土，給修建公路和鐵路帶來了巨大的困難。俄羅斯40%的煤，99%的天然金剛石儲藏在這里。目前，只有鉆石、黃金、鉑等貴重金屬“享受”空運待遇，因此，絕大部分的礦藏未被開采[1]。
　　地球黑色鉆石來自外太空。自上個世紀初至今，全球共開采和銷售了約600噸鉆石，鉆石已成為上流社會最流行的裝飾品之一。但在各種顏色鉆石中，黑鉆石因為其數(shù)量稀少而顯得尤為珍貴。黑色鉆石到底來自何方，為何數(shù)量又會如此的稀少呢?美國佛羅里達州立大學的天體物理學家約瑟夫.加萊等的研究發(fā)現(xiàn)，地球上的黑色鉆石并不是地球本身演化產(chǎn)生的，而是全部來自外太空。“鉆石恒久遠，一顆永流傳”，的確，早在地球尚未誕生的時候，黑色鉆石就可能已經(jīng)在宇宙中存在了。
　　為研究黑色鉆石的起源，美國科學家們動用了美國布魯克海文(Brookhaven)國家實驗室的紅外同步加速器。佛羅里達州立大學天體物理學家哈吉爾提說，“氮和氫是發(fā)現(xiàn)黑色鉆石起源的重要線索”。科學家們在黑色鉆石中發(fā)現(xiàn)了大量氫元素，這表明它來自富含氫元素的外層太空。18世紀中期，在巴西的葡萄牙人首次提出了“黑色金剛石”這一概念。到目前為止，人們只在巴西以及中非共和國發(fā)現(xiàn)過黑色鉆石。
　　美國國家科學基金會地球科學部負責人索尼亞.埃斯佩蘭卡說:“一般的鉆石都是純碳物質在地表100公里以下受到壓力形成的結晶，當遭遇火山活動時，它們被帶到地球的表層。正是這一過程保持了鉆石的特殊晶體結構，使得其成為地球上硬度最大的天然材料。盡管到目前為止全球開采并銷售了約600噸的普通鉆石，但是還沒有在世界上任何一個鉆石礦中發(fā)現(xiàn)過黑色鉆石”[2]。
　　產(chǎn)自地下深處(100～200km左右)的金剛石可能是由海底魚類殘骸或腐殖質所形成的。為了解開這個迷團，加拿大加爾伯達大學的金剛石地質學家Ralf Tappert等，對南非亞格斯豐坦礦里的金剛石進行了研究，認為地下深處的金剛石所含的C12(組成幾乎全部有機物的同位素)遠遠多于另一種同位素 C13。因此，他們說，當大洋板塊滑到其它板塊下并進入地幔時，海洋底棲生物便會為地下深處的金剛石提供碳元素。美國華盛頓卡耐基研究所的同位素地質化學家Steven Shirey表示，該研究很好地證明了，深處的地層最終會返回到地表(科學時報)[3]。
　　據(jù)報道，科研人員在用金剛石拋光一塊隕石時發(fā)現(xiàn)其中存在比鉆石還硬的碳晶體，這意味著這種晶體的硬度高于鉆石。利用一系列儀器對隕石中的晶體進行了仔細的觀察，發(fā)現(xiàn)了兩種全新的天然碳晶體結構。這種碳晶體比地球內(nèi)部形成的鉆石硬度還要大。簡單地講，鉆石是在地球深處高溫高壓條件下形成的，一般壓力為4.5～5.0GPa(相當于150～200km/的深度)，溫度為1100～1500℃。目前所開采的礦山中，大部分鉆石主要形成于33億年前以及12～17億年這兩個時期。如南非的一些鉆石的年齡為45億年左右，表明這些鉆石在地球誕生后不久便已開始在地球深處結晶，是世界上最古老的寶石。鉆石的形成需要一個漫長的歷史過程，這從鉆石主要出產(chǎn)于地球上古老的穩(wěn)定大陸地區(qū)可以證實。
　　此外，科學家推測星體對地球的碰撞，產(chǎn)生瞬時的高壓、高溫也可形成鉆石。法國里昂大學特里斯坦。費羅爾教授說：“這一發(fā)現(xiàn)純屬意外，不過我們確信研究這一隕石能夠對鉆石有新發(fā)現(xiàn)”。下一步將用高精密儀器觀察較小晶體的結構，了解其原子排列，以最終揭開其成因。
　　3、典雅、浪漫、傳奇與神秘
　　當今世界第一鉆石名稱“金色五十年節(jié)”，重量為545.67克拉，超過稱霸83年之久的原來世界最大鉆石“非洲巨星”15.47克拉。1996年4月13日獻給泰國國王普密蓬.阿杜德，作為祝賀國王執(zhí)政50周年的厚禮并被鑲嵌在為慶祝泰王即位50周年特制的權杖頂端。
　　當今世界第二大鉆石，被英王命名為“非洲巨星”，為舉世聞名的世界最大的寶石級金剛石“庫利南”，重量為530.20克拉，呈梨形，有74個面，被鑲嵌在英國國王愛德華七世的王笏(權杖)上。
　　人們常說潔白無瑕的鉆石是堅貞永恒的象征。然而色彩繽紛、艷麗無比的彩色鉆石更使這情意之物增添了一些典雅、浪漫、傳奇和神秘的氣質。
　　世界上最著名的彩鉆當屬“尤利卡”。據(jù)歷史記載，1866年9月，一位名叫伊拉姆斯•杰克布的15歲男孩在南非霍普敦鎮(zhèn)附近奧倫治河灘上玩卵石時，發(fā)現(xiàn)了這顆淺黃色，呈不完整八面體，重量為21克拉寶石級金剛石。1966年在“尤利卡”被發(fā)現(xiàn)100周年時，De Beers鉆石公司以高價將“尤利卡”彩鉆從英國買回其發(fā)現(xiàn)地南非，現(xiàn)存放在南非金伯利鉆石博物館，供全球公眾觀賞。
　　世界上最罕見的彩鉆當屬“綠色德勒斯頓”。據(jù)記載，17世紀中期，在印度戈爾康達地區(qū)開采金剛石古砂礦時，發(fā)現(xiàn)了這顆綠色的寶石級金剛石，重約101克拉。該彩鉆透射出色澤鮮艷，耀眼奪目的光芒，在陽光下呈現(xiàn)出迷人的光彩，令人愛不釋手。并認定為傳世珍寶。
　　人們把獨一無二、堅不可摧、永不磨損的鉆石與永恒不變的愛情結合起來，使鉆石演化成了代表永恒愛情的象征，成為愛情堅貞的誓言和結婚的信物。大自然賜給人類的稀有珍貴的鉆石與時俱進，已成為21世紀人們崇尚的一種理念、一種寄托、一種文化、一份情感、一次投入的保值增值的永不磨損的世紀流傳的珍品。[4]
　　美國天文學家們?nèi)涨肮剂艘活w被大量碳粒所包裹的碳恒星的最新數(shù)據(jù)。這顆被命名為“貝塔.皮克托里斯” 的年輕恒星目前所處的狀態(tài)與太陽的早期情況相似。不過，在該恒星周圍直徑超過3000億公里的氣態(tài)云團中，天文學家們卻發(fā)現(xiàn)了大量以氣態(tài)方式存在的碳元素。并認為其周圍的碳元素可能是小行星與慧星相互碰撞的產(chǎn)物。如果真是如此，那么今后在該恒星周圍形成的行星將主要由碳元素構成——在這些“碳行星” 的表面將被大量的焦油和煙霧所籠罩，而山峰將由金剛石構成[5]。
　　
　　金剛石是極其稀有的礦物質，但在漫長的歷史進程中，有關它的性質，卻一直是個謎。直至17世紀末葉人們才發(fā)現(xiàn)金剛石具有可燃的屬性。于是，英國的化學家、德國的物理學家都紛紛登場揭秘。遺憾的是，在過去的石墨轉變?yōu)榻饎偸脑囼灄l件中，只有高溫而缺乏足夠高的壓力，因此，石墨是不可能轉變?yōu)榻饎偸摹?br /> 　　雖然過去的許多嘗試都失敗了，但這些研究工作卻為后來的成功指明了方向。使人們清楚地認識到制造金剛石的過程是一個高壓高溫過程，也就是說，石墨轉變?yōu)榻饎偸挥性诔邏汉透邷赝瑫r存在的條件下才有可能實現(xiàn)。
　　1938年，Rossini和Jessup發(fā)表了他們計算所得到的金剛石(D)-石墨(G)平衡線，1939年，發(fā)表了他計算的D-G平衡線；1947年，P.W.Brigman發(fā)表了他計算的D-G平衡線，解決了合成金剛石需要超高壓高溫的理論問題，即從理論上提供了依據(jù)。
　　正因為人造金剛石生長理論和高溫高壓技術的日趨成熟，昭示了人造金剛石的誕生已噪動于母腹，即將來到人間。
　　1954年美國GE公司宣布了人造金剛石合成成功；瑞典則宣布1953年就合成出了金剛石；1959年南非、1960年蘇聯(lián)和日本相繼都宣告合成出了人造金剛石。外國的成就，說明金剛石用人工生產(chǎn)不再是不可逾越的課題。當時這種先進技術對中國是完全封閉的。然而，先行者的成功之例，對中國進行自已的人造金剛石合成技術嘗試，已不再是不可行的事。1963年，在我國科技人員的努力下，成功地制造出了中國第一顆人造金剛石。
　　5、鉆石曙光 剛剛升起
　　（1）超微結構金剛石控制量子信息的研究
　　目前，世界各國的科學家都十分關注有關制造量子計算機的可行性途徑。因為對信息處理而言，量子計算機無疑具有至關重要的作用。以氣相沉積法合成出超純度的單晶金剛石，為量子計算技術所必需的具有特異性能的金剛石結構的研究提供了堅實基礎。2008年3月，澳大利亞Melbourne大學的科學家宣布，已研制出世界上最小的金剛石環(huán)，直徑僅5μm，厚度僅300nm，用于檢測單光子，是研制量子計算機所必須完成的第一個元件。根據(jù)量子理論，采用金剛石研制的全新型的、運算速度更快的計算機屬光學計算技術范疇，對國家高科技領域和國防尖端技術的研究意義非凡。
　　（2）微切削加工的金剛石器件的初步研究
　　目的是研究世界一流的金剛石微電子器件制造工藝，使歐洲具有與日本、美國相抗衡的優(yōu)勢。研究的重點是一種先進的微米級和納米級的微加工工藝應用于下一代基于人造單晶金剛石的高頻大功率電子器件的開發(fā)。
　　（3）CVD金剛石窗孔與核聚變能的研究
　　2008年世界上最大的核聚變能項目啟動，目的是要論證由氘（重氫）-氚（超重氫）等離子體產(chǎn)生長時間核聚變的可能性。該項目的核心技術是環(huán)形核聚變室，用磁場吸持約束溫度極高的氘-氚氣體混合物。因此，各窗孔必須能夠命令1MW左右的微波能量從小于10cm直徑的小孔射入而不發(fā)生熱量散逸，而且還要防止氘-氚混合氣體逸出聚變室，這是極其困難的技術要求。
　　CVD金剛石對微波的吸收率很低，而且具有很高的導熱性。這兩點對避免熱量散逸至關重要。此外，CVD金剛石的介電常數(shù)小，可避免微波的破壞性回反射波進入用作微波源的回旋管(陀螺振子)。因此，CVD金剛石是迄今最理想的窗孔材料。
　　（4）超高純金剛石的研究
　　隨著量子力學理論付諸實踐的可行性，解算技術與密碼學的相互交融更趨密切，亟需超高純的材料來滿足這一尖端技術的發(fā)展。就量子器件而言，亟需具有量子級純度的金剛石，采用基于化學氣相沉積法的合成技術生產(chǎn)出超高純度的同位受控單晶金剛石，其順磁雜質密集度顯著降低。具有此性質的金剛石也有可能應用于新型的納米級磁傳感器。這種納米級磁傳感器可應用于生物成像。據(jù)稱，超高純度的同位受控CVD金剛石以其高定域分辨率檢測弱磁場的性能也可能應用于計量學和生命科學[6]。
　　（5）研發(fā)新型CVD金剛石測頭
　　測量儀上的測頭多用紅寶石、藍寶石或氧化鋁、氧化硅等堅硬陶瓷材料制作，由于磨損、溫度變化和材料細屑堆積等原因往往引起測頭尺寸的改變而導致測量結果不精確。如今用CVD金剛石球做測頭解決了這一系列問題。實踐證明，CVD金剛石測頭在掃描測量硬質材料時磨損顯著降低，而掃描測量軟質材料如鋁基材料等甚少發(fā)生材料細屑堆積現(xiàn)象。因此，在應用上具有廣闊市場。目前，已初步生產(chǎn)出了兩種最常用的測頭，直徑分別為1mm和3mm。
　　（6）支持新型激光器發(fā)展
　　由元素六開發(fā)出的高質量金剛石是一種新型功能強大激光器的核心材料，它將在常規(guī)激光器之外的諸多領域獲得新的應用，如水下成像、醫(yī)學成像、眼科學以及癌癥治療等。并將有望使拉曼激光達到前所未有的功率以及波長范圍。這種獨特金剛石材料的出現(xiàn)引發(fā)了人們研究小體積、高功率拉曼激光的濃厚興趣 [7]。
　　（7）用于火災探測系統(tǒng)中的金剛石紫外傳感器
　　目前在日本有90%的火災發(fā)生在居民區(qū)，其中有50%的火災都涉及到年齡在65歲以上的老人，他們往往在火災中遭到不幸。導致人員傷亡的主要原因是逃逸不及時，所以及早探測出火災是現(xiàn)在一種極為重要的安全需求。
　　傳統(tǒng)傳感器是通過探測火情早期發(fā)展階段的熱和煙來報警的，紫外線探測型火災傳感器技術，發(fā)展到發(fā)熱和冒煙的危險階段之前就迅速發(fā)現(xiàn)火情。這種金剛石紫外傳感器只需要一節(jié)9V的干電池就能運轉，使用壽命長，能量消耗低[8]。
　　6、鉆石時代 千秋輝煌
　　人類對工具材料的探索，經(jīng)歷了漫長的過程：木器時代→石器時代→陶器時代→銅器時代→鐵器時代→鋁器時代→塑膠時代→硅晶時代→陶瓷時代→碳管時代→鉆石時代。隨著人類科技的進步，每一時代都會開發(fā)出新的材料。鉆石是最終的材料，未來物質文明將因進入鉆石時代而達到巔峰。
　　鉆石過去被認為具有許多神秘的功效，古代的將領常戴著上戰(zhàn)場希望獲得保佑。
　　1947年De Beers喊出20世紀最成功的廣告詞:“鉆石是永遠的”(A Diamond is Forever)。
　　1953年好萊塢影星Marilyn Monroe在影片《男人喜愛金發(fā)美女》唱道:“我們的青春魅力終將消失，唯有那些美麗的鉆石卻永遠燦爛，鉆石才是女人最好的朋友”。
　　到2000年為止，西方人結婚時80%都以鉆石做為定情的信物。
　　宋健民風趣地說:“如果有個人具有阿諾的體型、愛因斯坦的智慧、畢加索的靈感、馬友友的琴藝、杰克遜的舞術、阿里的拳風及喬丹的球技，你一定會說即便是上帝也難創(chuàng)造出這樣的完人。的確在人間沒有這種奇跡，但在物質世界，上帝卻賜給人類一個更好的夢幻組合——鉆石”[9]。
　　鉆石是上帝給予人類的恩賜，她不僅是美麗寶石之王，更是材料之皇。
　　
　　參考文獻：
　　1． 唐存印等，俄99%的天然金剛石儲藏在北極圈內(nèi)[J]。超硬材料工程，2006，3：43
　　2． 美國科學家稱地球黑色鉆石來自外太空[J]超硬材料工程，2008，2：48
　　3．[J]中國超硬材料，2005，3:8
　　4 何 松，天然金剛石.鉆石.戴比爾斯(De Beers)[J]超硬材料與寶石(特輯)，2002，4:42~46
　　5 鄧華等，恒星周圍發(fā)現(xiàn)大量碳粒 山峰可能是由金剛石構成[J]。工業(yè)金剛石，2006，4：18
　　6.談忠耀麟，金融危機中元素6公司對超硬材料行業(yè)的啟示[J]超硬材料工程，2009，5：48~52
　　7．翟世超，人造金剛石支持新型激光器發(fā)展[J]工業(yè)金剛石2009，3：8
　　8 鄧華譯，用于火災探測系統(tǒng)中的金剛石紫外傳感器[J]IDR，2006，2
　　9 宋健民，超硬材料[M]金華科技圖書股份有限公司，1989
　　10 王春云，中國金剛石使用歷史超過4500年[J]超硬材料工程，2005，2:54~56