高温高压就能人工造钻石吗？这里面有什么原理？

高温高压合成法又称晶种催化剂法，石墨是低压稳定相，金刚石的矿物学名称，他是高压稳定相，而且如果我们从石墨直接转化为金刚石需要高压和高温条件，一般要求压力和温度在10GPa和300 ℃ 以上，如果涉及金属催化剂 ，如Fe，Ni，Mn，Co等及其合金，石墨成为金刚石所需的温度和压力条件将大大降低，因此，目前金属催化剂参与高温高压法合成金刚石。

作为溶剂的金属催化剂位于碳源，通常为石墨和金刚石晶种之间，碳源在高温端，晶种在低温端，由于碳源在高温端的溶解度大于在低温端的溶解度，由温差引起的溶解度差成为碳源从高温端向低温端扩散的驱动力，碳源在种子晶体逐渐沉淀，金刚石晶体逐渐长大，由于晶体生长的驱动力是由温差引起的。

这种方法其实也被称为温差法，化学气相沉积（CVD）通常在高温等离子体的作用下，使含碳气体解离，并将碳原子沉积到衬底上的金刚石膜中，衬底可以是非金刚石材料，但单晶金刚石通常是通过碳原子沉积在金刚石衬底上而形成的，含碳气体通常是指含有氮，甲烷和氢的混合气体，甲烷是合成金刚石碳原子的来源，氮可以增加生长速率，氢可以抑制石墨的形成。

通常化学气相沉积合成金刚石是在低压和高温条件下进行的，压力一般小于一大气压，温度大概约为1000度左右，人造金刚石以石墨和金属催化剂为主要原料，采用高温高压原理，通过原料和辅助材料的制备和组装，合成，提纯，切割和抛光，镶嵌，最终形成人造钻石饰品。 

关于高温高压就能人工造钻石吗这里面有什么原理的问题，今天就解释到这里。

CVD（Chemical Vapor Deposition化学气相沉淀法）钻石是以一块钻石晶片为母石，在反应炉中通电的方式，让甲烷中的碳分子不断累积到钻石晶片上，经过一层层累积，可形成纯碳原子组成的钻石原石。为使CVD的钻石“生长”顺利，碳源常用已具钻石结构的甲烷。这种“长大”的钻石，成分与矿钻并无二致，是纯净的碳原子，是100%的真钻，其价格仅为矿钻的一半到1/3。

　　研究人员宣布，尽管听起来就像是科幻小说，但是的确可能有多达1,000万吨钻石储存于土星和木星上。

　观测到的证据表明，土星上的雷暴可以活跃地产生碳粒子;此外，新一轮室内实验和模拟显示了碳在极端环境下的特性。因此，两位科学家产生了这样的设想：土星和木星两颗行星都有可能为钻石的形成提供稳定的环境。

　“我们现在知道，固体钻石所承受的最高限温是8,000°K，如果高出这个温度，钻石就会融化。而且，对于土星和木星内部的压力和温度分布，我们也能够测量得更加准确了，”威斯康星大学麦迪逊分校的行星科学家凯文·贝恩斯(Kevin Baines)说，“这两个情况结合在一起，首次向我们表明：固体钻石可能存在于两颗行星大范围的纵向区域中。”本周，在科罗拉多州丹佛市举行的一次会议上，研究人员提交了这篇研究论文，贝恩斯是该论文的合作者。

　根据较早期的理论，只有天王星和海王星才被认为是可以产生钻石的行星。科学家们提出：那两颗行星上的高温和高压或许能够将大气中的甲烷直接转化为钻石，然后降落到两颗行星的内部。

　据科学家们推测，土星和木星的温度要低得多，甲烷也要少得多。因此，他们通常认为这两颗行星不具备产生这些宝石的能力。

　在土星的大气中，大约有05%为甲烷;在木星的大气中，只有大约02%为甲烷。然而，在天王星和海王星上，将近15%的大气都是由甲烷构成的。

　根据贝恩斯所说，“卡西尼”号太空船在土星的上层云团中发现过巨型闪电雷暴，在木星上也发现过同样的闪电雷暴，这些巨型闪电雷暴可能是导致钻石形成的主要事件。从红外上所看到的黑色风暴区域被认为是甲烷分子分解成碳的区域，这种碳极有可能就是烟灰颗粒。

　这个新理论指出：一旦烟灰颗粒形成，非结晶碳就会在大气中下沉，一直到达密度相同的高度，然后在不断增加的压力下转化成为石墨;石墨继续下降到土星更深层的大气中，直到压力和温度不断积累，将石墨转化成为固体钻石。

　“这样，每年会产生大约1,000吨钻石。我估计，在30,000公里厚的含钻层中，以这种方式形成的钻石有大约1,000万吨，”贝恩斯说。

　液体钻石的海洋

　在木星大气的最深层，那里的环境非常极端，事实上钻石有可能形成一个液体钻石的海洋。贝恩斯说：“在钻石融化的那一层之下，含有原子氢和电离氢的大气变得极具破坏力，很可能那里的液体钻石已被转化成为其他材料了。”

　然而，在天王星和海王星的内部，温度要低得多，从来都达不到8,000°K，因而在这些比较遥远的行星上，钻石很可能永远都不会融化。

　“因此我们可以说，钻石很可能会永远地存在于天王星和海王星上，但不会永远存在于土星和木星上，”加州帕萨迪纳市加州特色工程处的行星科学家、研究论文的第一作者莫娜·戴丽特斯基(Mona Delitsky)说。

　但是，亚利桑那大学的行星科学家威廉·哈伯德(William Hubbard)对这项研究中提出的碳化学过程表达了自己的怀疑态度。他认为，土星上的闪电雷暴所产生的烟灰太少，不足以形成钻石，而且随着飘落到更深层次的大气中，烟灰很可能会被不断增加的压力和不断升高的温度破坏掉。“受热而分解的碳可能仅仅跟氢一起形成一种溶液，但不会析出而成为钻石，”哈伯德说。

　“钻石冰山”

　关于这些宇宙钻石可能会有多大，都是基于推测的。戴丽特斯基认为，这些钻石最初的大小可能只有一微米，就如同闪电产生的烟灰颗粒一般大。随着下降到行星更深层的内部区域，这些颗粒逐渐增大，很像雨滴一般，最终形成起码像豌豆一样大的宝石……有些变得如此之大，甚至都可以称之为“钻石冰山”了!

　“这些钻石很可能要比纳米级钻石大得多，有可能是相当大的厚块，你可以将其握在手中，”戴丽特斯基接着说，“在久远的未来，机器人探测器将有可能到这些气态巨星的大气深处，去开采这些钻石。”

宇宙中很多星球都存在大量钻石，其钻石储量也远远超过地球，比如我们所熟知的木星和土星。

木星和土星都属于气态行星，在其星体的组成成分里面还有大量甲烷，可以占到15%左右，而甲烷是由氢和碳组成的，甲烷中的碳会在高压下分解并形成钻石。

你想知道的是人工合成钻石的技术吧，主要就是模仿天然钻石生长时的环境来培养钻石。合成钻石就晶体形成之生长方式而言，大致可分为三种方式：一就是高温高压法，二是震波法，三是化学气相沉淀法。

一、高温高压法：这种方法用的材料有煤、焦炭、石墨、石蜡、糖等；有份报告曾列举二十几种合成成功的材料。应用的催化剂可用铁、钴、镍、铑、钌、钯、锇、铱、铬、钽、镁，或这些金属元素的混合物。要求至少要达75,000atm(大气压)，最好在80,000atm至110,000atm的高压状态，形成温度则要在1200℃2000℃之间，最好是在1400℃1800℃之间。反应舱的中部为高温区，碳源置放在该区，晶种放在反应舱下部的低温区。以石墨为碳源，晶种固定在氯化钠（食盐）晶床内，晶种某特殊晶面对着金属催化剂，在晶种和碳源之间放置直径6mm，厚3mm，金属催化剂圆柱，此金属催化剂是铁镍合金。组合后，置入单向加压，四块斜滑面式立体超高压高温装置中，再放入1000顿的油压机内，反应腔温度约1450℃，压力控制在6GPa左右，生长时间22~52小时。

二、震波法：主要是利用爆炸时所产生的瞬间高温高压条件来合成钻石，所合成的钻石颗粒都很小(通称钻石粉)，只适合在工业上应用。

三、化学气相沉淀法：首先把氢气和含碳氢的气体(一般使用甲烷CH4)，通过一组调节器，调节两种气体的比例，然后利用微波波源或电热丝等，加热混合的气体，使温度达2000℃左右，氢气和甲烷会分解成氢原子和碳原子形成的电浆流，然后在加热至600~1000℃的基质上，结核长成薄膜。