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太神奇!實驗室能“種鑽石”

2022年06月17日 09:18:54 來源: 合肥日報

    ​ 合肥一國家實驗室技術實現産業化

    鑽石晶種的切割制作

    工作人員正在觀察鑽石毛坯生長情況

    工作人員正在檢查鑽石毛坯打磨情況

    以一顆天然鑽裸石為“種子”,在高溫低壓的環境下,籽晶片慢慢“成長”,一周時間就能長成一克拉的“真鑽石”。

    6月16日,科學+工作室帶你走進合肥這個能“種鑽石”的神奇實驗室。雖是實驗室培育的鑽石,但化學和物理特性上和天然鑽石一樣,有著各種國際認證的證書,不同的是它會標注“Laboratory grown diamond”,價格是天然鑽石的20%到30%。

    這個培育鑽石的科研團隊源于合肥一國家實驗室。經過30多年的沉淀,這項技術從實驗室走向市場,為人們的生産生活服務。

    培育鑽石是什麼?

    在實驗室裏生長的“真鑽石”

    一個個裝滿氣體的容器裏,像一個個大型微波爐,戴上專業眼鏡,可以從一個小小的孔裏窺探到正在賣力生長的鑽石毛坯。6月16日,記者來到位于合肥高新區的一個培育鑽石的實驗室。這是什麼鑽石呢?和我們在商場裏所購買的鑽石又有什麼不同呢?

    這個實驗室來自于合肥先端晶體科技公司,公司總經理宋學瑞告訴記者,培育鑽石其實是一種人工培育的鑽石,也叫培育鑽石。它是以一塊天然鑽裸石為種子,利用高純度甲烷、加上氫等氣體輔助,在微波電漿發生器內,以高溫低壓的方式,形成碳離子。這些電漿體就會像灰塵一樣,在空氣中一點一點沉積到種子鑽石上,籽晶片就會慢慢地一層一層越長越大。

    在實驗室裏,記者見到了鑽石培育的全過程。先是在一個個鐳射切割儀器裏,對一塊塊裸石進行切割,之後它們會進入到另外一個房間內進行拋光和打磨,最後再進入甲烷和氫氣的容器裏,通過高溫低壓,讓其慢慢生長。“最大可形成大至10克拉之透明鑽石。”宋學瑞説,在實驗室長成的是鑽石毛坯,切割加工後成為可以佩戴的閃閃發亮的鑽石。“因為從化學和物理特性上和天然鑽石一樣,它也是真鑽石。”

    一顆鑽石長成要多久?

    一克拉鑽石長成只需一周

    一顆天然鑽石的成長,需要經歷幾百萬年甚至是幾億年的時間。但是如果在實驗室裏,一顆一克拉的大鑽石長成只需要5-7天的時間。當然,克拉數越高,生長的時間就越長。

    在生長鑽石的容器裏,記者看到有高溫的光線照射著正在生長的鑽石,宋學瑞説, 正是這樣的高溫低壓,讓鑽石得以快速生長。“生長中的溫度非常重要,一旦太高了,價值不菲的鑽石就會在頃刻間變成一錢不值的石墨。我們實驗室一般控制在800-1000℃。”

    鑽石作為頂級的奢侈品,在珠寶市場尤其受到女性青睞。但是天然的鑽石産量畢竟有限,因此它才會尤為珍貴。長期的開採,消耗大量的人力、能源,且這種資源不可再生。“與天然鑽石比起來,培育鑽石的優點就在于它是可持續的資源,更加環保,並且它的純凈度也更高。”

    培育鑽石怎麼用?價格如何?

    可佩戴首飾,也可應用于工業和量子資訊實驗

    “鑽石恒久遠,一顆永流傳”,這個廣告語在全世界廣為流傳,它也給鑽石賦予了一種特殊意義。但隨著科技的發展,人工培育鑽石的出現,鑽石可能也將被重新定義。“像一些國際知名珠寶品牌、奢侈品牌都開始在産品上採用培育鑽石了。”宋學瑞介紹,培育鑽石的價格大約是天然鑽石的20%-30%。也就是説,如果你能夠接受培育鑽石成為你的佩戴寶石的話,那麼你就有了“鑽石自由”的可能性。

    除了時尚和裝飾外,培育鑽石在工業上的運用更加廣泛。該公司銷售總監胡學勖表示,由于鑽石的硬度和它天然的導熱效果,它可以運用在刀具領域、電子器件熱管理、光學窗片、量子資訊領域。並且它的半導體參數也優于其他半導體,它也是一種終極半導體材料。

    談及未來培育鑽石的價格,胡學勖稱,“培育鑽石與天然鑽石雖然性質一樣,但對于市場來説屬于兩種不同定位的産品,價格上形成互補。經過這些年的發展,未來的價格還是會相當穩定的。”

    “鑽石園丁”是誰?

    竟源于合肥這個國家實驗室

    在宋學瑞的公司,我們也看到了許多已經打磨成成品,可以直接售賣的一顆顆一克拉到四克拉裸鑽,捧在手心裏的培育鑽石和商場櫥窗裏的天然鑽石毫無差別,它的每一個切割面都在反射著光芒,閃閃發亮。

    那麼這些實驗室里長出來的鑽石究竟用的是什麼高科技呢?宋學瑞為我們揭開謎底。

    我們看到的這些閃閃發光的、從一克拉到4克拉不等的鑽石所用的是CVD的技術。英文名全稱叫做ChemicalVaporDeposition,也就是化學氣相沉淀。這種技術竟然是源于中國科學技術大學的一個國家實驗室。

    “當時我們的先端薄膜實驗室對實驗器材有需求,需要金剛石薄膜。”宋學瑞説,“這個器材是很薄的一片,用于NV色芯的研究,那時只有國外能提供這種原材料。原料掌握在別人手上,成為實驗的一個瓶頸,我們必須自己來做。”

    宋學瑞是中科大物理係畢業的博士,公司的創始人都是中科大的教授,而他和公司的核心研發團隊也都是中科大的博士。1988年,這個實驗室開始探索培育金剛石方面的科學研究,經過了30多年,經歷了無數次實驗的失敗積累的經驗,才終于掌握了培育鑽石的全流程技術。

    “像這個拋光的儀器就是我們實驗室自己研發的。培育鑽石的很多儀器都是我們自己做的。”中科大的這個團隊創立的公司雖然成立于2017年,但是培育鑽石的技術從實驗室走向産業化,卻用了30年。這也是一項重要的技術成果轉化。

    胡學勖透露,目前公司有20多人,每年的産值都是成倍增長,今年有望突破3000萬元。“我們是培育鑽石的生産方,屬于這個産業的上游,在我們中下遊還有打磨切割、工業上産等。我們的生産技術在全國是最先進的,産品也銷往全國各地以及印度、美國等多國。”

    還有很多人想問,培育鑽石有官方認證嗎?胡學勖説,跟天然鑽石一樣,國際權威珠寶檢測機構GIA、IGI、HRD也會按照天然鑽石標準出具相應的證書。不同的是,它們的證書上會特別標注“Laboratory grown diamond”,就是實驗室培育鑽石。

    合報全媒體記者 張夢怡/文 高博/攝

    

[責任編輯: 周雨濛 ]
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