鉆石不僅僅可以加工成價(jià)值連城的珠寶，在工業(yè)中也大有作為。它硬度高、耐磨性好，可廣泛應(yīng)用于切削、制造樹(shù)脂或陶瓷結(jié)合劑磨具，可制造地質(zhì)鉆探鉆頭，半導(dǎo)體及非金屬材料切割工具；由于導(dǎo)熱率高、電絕緣性好，可作為半導(dǎo)體裝置的散熱板；它有優(yōu)良的透光性和耐腐蝕性，在電子工業(yè)中也有重要的用途?？梢院敛豢鋸埖恼f(shuō)，一個(gè)國(guó)家不重視發(fā)展工業(yè)鉆石，那么國(guó)防現(xiàn)代化、工業(yè)現(xiàn)代化和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化就無(wú)從談起；然而天然鉆石的產(chǎn)量太低，只有依靠人工制造才能滿足工業(yè)需求。

       相對(duì)于世界上產(chǎn)量較高的國(guó)家，我國(guó)的天然鉆石資源比較貧乏，產(chǎn)量?jī)H為全球的0.1％，國(guó)家工業(yè)用鉆石99％以上依賴國(guó)產(chǎn)合成鉆石。目前，中國(guó)人造合成鉆石的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)世界總產(chǎn)量的90％。但是國(guó)產(chǎn)人造鉆石量大價(jià)低，在高端市場(chǎng)不占優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)人造金剛石產(chǎn)量

       20世紀(jì)50年代的第一顆人造鉆石的誕生，為人工合成鉆石的科研、生產(chǎn)、應(yīng)用打開(kāi)了閘門(mén)，這主要得益于高溫高壓技術(shù)的發(fā)展。超高壓高溫裝置的研制成功實(shí)現(xiàn)了人工合成鉆石的美好愿望。這里需要提及的是美國(guó)著名的高壓研究者 P.W.Bridgman 在超高壓技術(shù)方面的研究所做出的杰出貢獻(xiàn) ,并為這門(mén)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。以美國(guó)通用電器公司H.T.Hall為首的實(shí)驗(yàn)小組，根據(jù)P.W.Bridgman的大質(zhì)量支撐原理所設(shè)計(jì)的 Belt 兩面頂裝置 ,并解決了用金屬催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)石墨直接轉(zhuǎn)變?yōu)殂@石的關(guān)鍵技術(shù)。為后來(lái)人造鉆石的發(fā)展作出了開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。Hall在1954年12月16日第一次實(shí)現(xiàn)了商用人造鉆石的制造，他的突破主要是使用了一個(gè)Belt兩面頂壓力機(jī)，可以產(chǎn)生10GPa的高壓和2000℃的高溫。這個(gè)壓力機(jī)使用葉臘石作為容器，石墨溶解在熔融鎳、鐵、或者鈷之中。這些金屬充當(dāng)熔融催化劑，既溶解碳，又加速其轉(zhuǎn)化為鉆石。雖然當(dāng)時(shí)制造的鉆石直徑只有0.15毫米，作為珠寶而言太小了，視覺(jué)上也沒(méi)有什么沖擊，但是仍然可以作為工業(yè)研磨使用。他的同事后來(lái)重復(fù)了他的工作，并把結(jié)果發(fā)表在Nature期刊上。

       目前超高壓高溫裝置的種類很多，但是，世界上鉆石生產(chǎn)的超高壓裝置大致有三種類型：以GE公司和De Beers公司為代表的年輪式超高壓高溫裝置、以中國(guó)為代表的鍍鏈?zhǔn)搅骓敵邏焊邷匮b置、以前蘇聯(lián)為代表的雙面凹凸式超高壓高溫裝置。

        1963年12月，中國(guó)合成出國(guó)內(nèi)第1顆鉆石，拉開(kāi)了中國(guó)鉆石工業(yè)生產(chǎn)的序幕。1971年9月，“全國(guó)人造金剛石會(huì)議”召開(kāi)前，當(dāng)時(shí)國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人曾多次指示，“必須把這項(xiàng)重要戰(zhàn)略物質(zhì)立足于國(guó)內(nèi)，現(xiàn)在花幾千萬(wàn)美元從資本主義國(guó)家進(jìn)口，人家不給怎么辦？”如今，中國(guó)人造鉆石不僅可以滿足國(guó)內(nèi)需求，而且從80年代后期開(kāi)始出口國(guó)外。截止2013年，中國(guó)鉆石出口國(guó)家地區(qū)62個(gè)，出口量達(dá)23.3億克拉，出口額1.35億美元。

       合成壓機(jī)是人造鉆石的核心設(shè)備，其要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)高溫（大于1400℃）、高壓（大于5GPa）的合成腔體，依照碳元素平衡相圖，在這個(gè)腔體內(nèi)，使碳原子形成穩(wěn)定的鉆石晶體。國(guó)外常用單軸向壓力機(jī)，通稱為兩面頂壓機(jī)。中國(guó)則用互成90°的三軸向壓力機(jī)，也就是六面頂壓機(jī)。中國(guó)從1965年設(shè)計(jì)制造了這種六面頂壓機(jī)，迄今整個(gè)行業(yè)幾乎全部采用六面頂壓機(jī)，成為中國(guó)特色。近些年，國(guó)外業(yè)界知名公司逆轉(zhuǎn)對(duì)中國(guó)六面頂壓機(jī)的負(fù)面看法，批量采購(gòu)，引進(jìn)中國(guó)的方法生產(chǎn)鉆石，不得不說(shuō)這也是一個(gè)中國(guó)制造的成功案例。

Belt兩面頂壓力機(jī)

六面頂壓機(jī)

       目前商用的高溫高壓低成本的鉆石制造方法難以生產(chǎn)1mm以上的寶石級(jí)別的鉆石，GE公司早期開(kāi)發(fā)的高溫高壓溫差法仍然是唯一的一種有效方法。1970年蘇聯(lián)學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室嘗試在低溫低壓條件下制備鉆石，實(shí)現(xiàn)了鉆石合成技術(shù)的二次飛躍。通常使用的化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)出來(lái)的鉆石膜（CVD）具有與單晶鉆石幾乎相同的性能。但是這種方法有一個(gè)問(wèn)題就是生長(zhǎng)速度太慢。

       說(shuō)到這里不得不提到一位著名的華人科學(xué)家毛河光（Ho-Kwang Mao）。他是世界高溫高壓研究領(lǐng)域的頂尖人物，世界杰出高壓科學(xué)家，其中一項(xiàng)重要成就便是利用高壓解決了“鉆石快速長(zhǎng)大”的科學(xué)難題。毛河光1959年考入臺(tái)灣大學(xué)地質(zhì)系，1967年獲得美國(guó)羅切斯特大學(xué)博士學(xué)位，1968年進(jìn)入卡內(nèi)基地球物理實(shí)驗(yàn)室，1979年受聘為吉林大學(xué)名譽(yù)教授，1993年當(dāng)選美國(guó)科學(xué)院院士，1996年當(dāng)選中科院外籍院士，2002年被聘為吉林大學(xué)高壓科學(xué)與技術(shù)中心主任，2005年被聘為吉林大學(xué)教授，2012年入選“千人計(jì)劃”中的頂尖人才與創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，組建北京高壓科學(xué)研究中心并擔(dān)任主任。2017年8月10日，中國(guó)東北岫巖隕石坑中發(fā)現(xiàn)的天然高溫高壓鐵鎂氧化新礦物被國(guó)際新礦物（IMA）命名與分類委員會(huì)批準(zhǔn)命名為“Maohokite”,中文名：毛河光礦。毛河光在科研方面成就卓越，發(fā)表論文900多篇，其中Science期刊44篇，Nature期刊19篇，PNAS期刊63篇，PRL期刊63篇，通過(guò)谷歌學(xué)術(shù)查閱到毛河光目前被引用超過(guò)5萬(wàn)次，H指數(shù)120。

毛河光院士

       毛河光1988年在250Gpa以上超高壓下進(jìn)行氫的金屬化研究，觀察到氫變成黑色后不透明，同時(shí)有拉曼光譜增強(qiáng)的現(xiàn)象。后來(lái)毛河光使用化學(xué)氣相法來(lái)“養(yǎng)”鉆石，把天然鉆石與從牛糞產(chǎn)生的沼氣中提煉的高純度甲烷，在加上氫氣、氮?dú)獾妮o助，在微波爐中利用高壓的方法，讓甲烷中的碳分子不斷累積到天然鉆石的表面上，一個(gè)小時(shí)可以生長(zhǎng)300微米。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在2005年，毛河光制成了一顆10克拉無(wú)色透明的CVD鉆石，一下轟動(dòng)國(guó)際學(xué)界和寶石界。我國(guó)的金剛石壓腔（DAC）超高壓研究工作，就是在毛河光的指導(dǎo)下從無(wú)到有、從小到大發(fā)展起來(lái)的。他在70年代就開(kāi)始和國(guó)內(nèi)合作，傳授技術(shù)和理論、實(shí)驗(yàn)方法，在他的幫助下，我國(guó)在地幔礦物學(xué)、高壓物理、高壓相變等方面的研究工作在國(guó)際上開(kāi)始占有一席之地。鑒于毛河光的貢獻(xiàn)，1996年被聘為中科院外籍院士，2002年中國(guó)政府授予他“國(guó)家友誼獎(jiǎng)”，被媒體稱為“可敬的海外赤子”。

2017年德國(guó)奧格斯堡大學(xué)實(shí)驗(yàn)室合成的92mm的人造鉆石

       合成鉆石的技術(shù)一直在發(fā)展，2017年，德國(guó)奧格斯堡大學(xué)的研究人員歷時(shí)26年，利用化學(xué)氣相沉積的方法，在只有十分之一大氣壓的低壓環(huán)境下，研究出來(lái)超大鉆石的培養(yǎng)方法。這顆單晶鉆石的直徑有92mm，甚至比英國(guó)女王權(quán)杖上的“庫(kù)利南1號(hào)”的直徑還要大。雖然這個(gè)大鉆石和天然鉆石無(wú)論是純潔度還是閃光性都有所差距，但隨著技術(shù)的發(fā)展，或許不久的未來(lái)科學(xué)家們可以合成出來(lái)比天然鉆石更純潔的超大鉆石。