你好，欢迎来到《得到精选》，我是李南南。今天的内容，来自孙亚飞老师的《材料科学前沿报告》。

好多人一听材料科学这几个字，好像觉得离自己特别远，但事实上，材料科学跟咱们的关系非常近，材料科学的进展，可以说是这个世界上最底层的机会指针。

你看，最近几年新能源汽车特别火，这个火的底层动力是什么？很大一部分就来自于锂离子电池材料的快速发展。你看，新能源汽车这个巨大的机会背后，其实是材料科学在做关键助推。

那么过去的一年当中，材料科学又获得了哪些突破性的新进展呢？今天我们就来了解其中特别值得关注的一项，这就是，人造钻石材料。

关于这个材料的前世今生，以及它后续的影响，咱们有请孙亚飞老师来跟你说一说。

你好，欢迎来到《材料科学前沿报告》，我是孙亚飞。

这一讲要跟你介绍的这个材料，你肯定不会陌生，它的名字叫钻石。我们都知道，因为自然界中纯度高的钻石十分稀少，所以天然钻石不仅价格昂贵，而且往往是以特别小的单位进行售卖。

在大多数珠宝店里，1克拉以上的钻石就会被摆在最显眼的位置，纯度高的价格会达到6位数以上。但1克拉的钻石，它的直径也只大致相当于普通铅笔的横截面而已。

而我们今天要说的这种人造钻石比较特殊，它的尺寸比天然钻石更大，每颗都有好几克拉。研究出这个成果的团队来自于中国矿业大学，也就是超硬刀具研究所所长邓福铭教授带领的团队。从研究所的名称你肯定也看得出来，这个研究的目的主要是为了制造出硬度高的刀具。

那这种钻石量产过后，是不是就只能作为刀具使用呢？它还会改变哪些工业领域的发展？我们一起来看看。

人造钻石的发明

人造钻石的发明，得从1799年说起，当时法国有一位贫穷的科学家叫摩尔沃，他在花光积蓄给未婚妻买了一颗钻石后，突然想到前辈拉瓦锡把钻石烧成二氧化碳的实验。于是他也做了个实验，在隔绝空气的条件下，把那颗昂贵的钻石通过加热，变成了廉价的石墨。

这是怎么做到的呢？其实基本原理并不复杂，在中学课本中我们就学过，石墨和钻石的成分都是碳，所以理论上它们二者之间是可以互相转化的。而且根据理论计算，钻石的熵比石墨更低。这个熵简单理解的话，代表的是物质的混乱度。

混乱与有序：为什么不可逆是化学反应的宿命？（《孙亚飞·化学通识30讲》）

也就是说，从微观上看，钻石比石墨更加有秩序，石墨的混乱程度更高。

根据熵增的原理，钻石本身就有内部会变得越来越混乱，从而自发转变成石墨的趋势。

所以，摩尔沃在加热钻石的时候，钻石变成石墨也就不奇怪了。

这个时候，有些科学家就想，既然通过某种过程可以把钻石变成石墨，那如果让这个过程转个方向，借助一些外力干预，是不是就能把石墨变成钻石呢？

确实可以，但是科学家们一计算可不得了，整个过程需要在很高的压强和很高的温度下才能进行。具体来说，需要的压强得是大气压的好几万倍，温度也要一千摄氏度以上。后来科学家们把这种借助高温高压的钻石处理工艺，简称为“HTHP技术”。

1954年，世界上第一颗人造钻石诞生了，它就是用高温高压的工艺做成的。即使是到了现在，人工钻石大多还是采用这种工艺，每年生产出来的钻石多达数百万克拉。

这个时候有人可能会问了，人工钻石已经这么多了，怎么天然钻石的价格还是那么高？这里面的原因非常复杂，抛开市场、品牌等因素，只谈与我们课程相关的材料技术问题的话，其实就一个原因：人工钻石最初是为工业而生，追求的往往是硬度，而追求观赏价值的天然钻石，追求的则是纯度。

人工钻石主要作为超硬材料使用，因为到目前为止，除了一种特殊的氮化硼材料以外，还没有什么东西的硬度比钻石更高。在一些需要用到切刀的工业中，超硬的钻石就成了首选。

在这样的场景下，钻石的尺寸和纯度都不是太重要。比如，玻璃店里用来切割普通玻璃的刀具，刀尖安装的其实就是钻石。你看，几乎不会有人去关注，这个刀尖上的钻石是什么颜色，是不是有瑕疵。

正因为如此，人造钻石的加工技术，其实长时间以来并没有朝着变大、变纯的方向发展。

人造钻石和天然钻石就不在一条赛道上，它们的定价体系完全不同，价格也没什么可比性。

电子行业的新需求

不过到了近些年，情况发生了变化，首先是电子行业对大块钻石提出了需求。比较熟悉钻石特性的人可能要问了，钻石是一种绝缘体，几乎不导电，怎么用在电子行业里呢？

传统的材料分类里，确实是把钻石列为绝缘体。但也有很多学者认为，从晶体的结构来说，钻石和我们常见的半导体材料单晶硅是一样的，只是把结构里的硅原子换成了碳原子，而碳和硅在化学元素中又属于同一家族。可以说，钻石是自然界中和单晶硅最接近的一种东西，所以不能简单地把钻石当成绝缘体。

那么，从这个角度看，我们其实可以把钻石看作一种宽禁带半导体。禁带是一个专业术语，我们可以把它理解成一座山，山的这边有很多电子，只有电子爬过这座山到了那一边，这种材料才能导电。

对单晶硅来说，禁带有泰山那么高，翻山有点困难，但也只要用力就行。对钻石来说，禁带有昆仑山那么高，过去觉得根本不可能翻过去，现在觉得，说不定翻过去更美。也就是说，钻石不是不能导电，只是需要的电压更高一些。

这个理论被更多人接受了以后，用钻石制造各种电子元件的设计就越来越多了。一开始还只是做些边角料，后来逐渐被用来制造核心元器件。2023年，世界上第一款钻石半导体圆形晶片问世，重量达到了110克拉。不过它的成本十分高昂，距离商用还有距离。

不过，也就是因为这些潜在的应用可能，工业级钻石的需求也开始发生了变化，不再局限于超硬材料。

如何批量制造出大块钻石，成为一项研究热点。

顺带着，还影响了人们对于高纯度的首饰钻石的期待。

改写钻石生产规律

那么怎么制造出又大又纯净的钻石呢？这就要说到邓福铭教授团队研发的新型钻石。

邓福铭教授在人造钻石领域已经耕耘很多年，而且特别擅长采用上面我们说到的高温高压HTHP技术。这种门槛更低的方法，一度被认为制造些小钻石还行，想要制造又大又纯净的钻石，没戏。

这主要是因为高压的压力太大，钻石没有空间生长。这就好比科幻小说里经常描写的场景，有些星球因为引力太大，上面的人个子都长不高。然而这个方法要用到的压力，理论上是不能降低的，怎么办呢？

邓福铭团队的操作，是把钻石生长的位置和石墨分离开，等石墨中的碳原子慢慢消散后，再换到另外一个地方去生长。还是用外星人打个比方，虽然他们星球的引力不能变，但是可以换个思路，去水里生活，或许就能长得更大些。

而石墨换地方生长的动力，就是温度。采用这种方法，就可以制造出宝石级尺寸的大钻石了。

尺寸满足要求了，那么纯度呢？也有办法。

研究团队挑选了一些合金作为钻石生长的催化剂，具体来说是铁钴合金。但是，这种合金并不能杜绝其他杂质原子和碳一起生长，特别是氮原子。所以，在这种合金的基础上，研究人员又添加了钛和铜，在调节比例后，总算可以把氮原子也拒之门外了。

最终，研究人员在五万五千的大气压以及1320度的高温下，顺利地合成了直径达到8毫米的大钻石，重量在3到4克拉，而且没有任何的杂色。如果再经过打磨，这些钻石完全有资格出现在珠宝店最显眼的位置上。

邓福铭团队的方法，从成本上来说，可控性很强；从产出来说，成品钻石也是又大又圆。

这项研究改写了人造钻石生产方法的规律，原本不太被看好的HTHP方法，实际上也能生产出大钻石了。未来，在此基础上继续改进，还可能会出现更惊人的成果。

带来的行业发展

如果你有关注相关方面新闻，就知道在人造大钻石领域攻坚的团队远不止邓福铭团队一支。

这些人造大钻石的好消息不断，带来的影响也非常显著，特别是宝石级钻石的行情。

2023年，宝石级钻石的价格迎来史上最大跌幅，全年普遍下跌30-40%。与此同时，一些宝石商也宣布，将开始用人造钻石作为原材料。

在工业端，大块钻石的兴起，也给市场带来了新机会。除了前面说到的半导体领域，光学元器件也盯上了它。钻石的折射率高，适合用在一些精密的光学仪器中，只是对尺寸和纯净度有要求。

总之，人造大钻石获得成功，实际影响可以说是肉眼可见。

而且和很多材料不同的是，人造钻石几乎不存在实验室与工业生产的壁垒，甚至很多工业产品就是直接从实验室里生产出来的。

比如邓福铭团队的工作，在实验室里操作，就可以做到每次好几十个克拉级的大钻石。所以，严格来说，人造大钻石不是有望量产，而是已经量产。

但是，从技术上说，这仍然只是开始。比如在生产过程中，钻石的品质并不稳定，特别是纯度，如果不能做到整齐划一，而是只能在合成出来的产品中进行挑选，这将是比良品率更严重的问题。而且除了作为宝石外，大块钻石在工业上的应用无一例外都是高精尖领域，容错率很低，钻石的品质也需要得到绝对地保障。

所以，怎么让大块钻石源源不断且质量稳定地生产出来，这是我们接下来期待出现的成果。

总结

今天我给你介绍了一种有趣的人造大钻石。它改写了人造钻石生产方法的规律，造出的钻石克服了传统人造钻石不够大、不够纯净的难点。宝石、光学元器件、半导体等行业，都会受到它的一定影响。

思考题

除了我们说的这些领域，你知道人造钻石还在哪些行业被应用吗？欢迎你留言，跟大家一起分享。

好，内容听完了。

在孙亚飞老师的报告里，还有很多前沿材料的进展介绍。假如你的工作跟前沿技术或者跟投资有关，那么这份报告非常适合你。

现在，在得到App首页搜索“

孙亚飞

”三个字，就能看到最新一季《孙亚飞·材料科学前沿报告》的购买入口，推荐你现在加入。

好，以上就是今天的内容，《得到精选》，明天见。