今年年初，国内各地文旅局花式整活，许多地方隐秘“土特产”闯入了大众的视野。河南洛阳更是出手惊人，大手笔地给游客们赠送钻石，最大的足足有 1 克拉，一天内发了 100 颗！
一时间，网友们小小的脑袋，大大的问号——河南不是农业大省吗？它的特产什么时候变成钻石了？
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其实，河南不仅种农作物有一手，“种钻石”也有些年头了，全球 80% 的人造钻石都来自河南，尤其以商丘市柘城县最为集中。
人工培育的钻石，是真的钻石吗？
“钻石恒久远，一颗永流传。”这是大家最耳熟能详的钻石广告，也被视为 20 世纪最成功的广告。因为光彩夺目，又和爱情和婚姻紧紧捆绑，钻石虽然价格昂贵，却一直活跃在大家的目光中。
那如果钻石既能依旧闪耀，价格又远低于现在的价位，是不是非常理想？这时候，就需要人工培育钻石登场了。
培育钻石的英文名是“lab grown diamond”，直译过来是实验室里培育出来的人工钻石。
它们到底是不是真的钻石？当然是！
钻石是宝石级别的金刚石，成分是近乎纯的碳，是石墨等碳物质的同素异形体。在钻石晶体内部，每个碳原子都与周围的四个碳原子紧密结合，形成一种在其他矿物中都不曾见到的特殊三维结构，正是这种致密结构使得钻石成为自然界最坚硬的矿物。
钻石和石墨的结构对比。二者都由碳原子组成，这也是我们能用石墨制造钻石的原因。图片来源：wikimedia
培育钻石和天然钻石一样，都是纯碳原子构成的晶体，二者的晶体结构、物理性质、化学性质、光学性质本质上没有区别。有专家生动地形容这二者，“天然和人工的区别，就好比河流里的冰跟冰箱里的冰的区别。”
人工培育钻石，是可以得到钻石行业三大鉴定机构发放证书的，足见它的真钻地位得到了官方认可。2018 年，美国联邦贸易委员会对钻石定义进行了调整，首次把培育钻石归到了钻石的大类。
钻石到底是怎么种出来的？
天然钻石埋藏在地球深处。它是含碳矿物和一定比例的铁族金属，在无氧环境中，900℃~1400℃ 的高温和 5~6 GPa的高压下，经过数亿年才能形成。
天然钻石形成时间漫长，获取成本高昂。而人工培育的钻石，只需要数周，甚至几天时间即可生成宝石级的钻石。
目前，培育钻石的方法主要有两种：一是高温高压技术（High Temperature and High Pressure，HPHT）；二是化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)。
高温高压技术，是中国的主流钻石培植技术，尤其集中在河南，主要仪器是六面顶压机。
其合成经过是，将包裹有石墨粉、钻石晶种和金属触媒的石墨柱，放入超高温、高压的反应仓内，石墨粉经过金属触媒粉催化，在晶种上结晶。钻石以晶种为中心慢慢长大，一周左右即可生成，最后经过打磨，切割，变成闪亮的新钻石。
利用了高温高压技术的BARS系统示意图。图片来源：wikimedia
化学气相沉积技术，目前是欧美国家主要使用的方法。它的基本经过是：在高温、低压的真空环境下，把钻石晶种、含碳气体一起放入反应仓内，分解出气体中的活性碳原子，并通过控制生长条件，使活性碳原子均匀地沉积到天然钻石薄片上，形成新的钻石。
两周后，钻石薄片可以有原来的十倍大。这些被石墨包裹的钻石很粗糙，需要用激光进行修整切割，再抛光，然后就是一颗颗闪闪发亮的钻石了。
化学气相沉积技术培养出的钻石原石。图片来源：wikimedia
两种培育方法各有利弊，核心技术在于原料配比、生产工艺以及机器。CVD 法培育的钻石，培育周期长，成本较高，颜色不易控制，但纯净度高 ，较适宜 5 克拉以上培育钻石合成。HPHT 法培育的钻石，生长速度快，成本低，但纯净度稍差，且无法培育较大的钻石晶体，适合批量生产 1~5 克拉的钻石毛石。
目前，中国、印度、美国分别主导培育钻石生产、加工、零售市场。
河南为什么能大量种起了钻石？
钻石的原石——金刚石起先最重要的作用，不是欣赏，而是用于机械加工。
上世纪五十年代，一些欧美国家成功通过高温高压法、化学气相沉积法等方法成功合成了人工金刚石。
同一时期，新中国为了发展制造业，开始在全国选址兴建砂轮厂，批量制造磨具。因河南巩义发现了大型铝矾土矿，中国第二砂轮制造厂最终落地于郑州。这个砂轮厂以及厂内的郑州三磨所（磨料磨具磨削研究所），就是之后中国超硬材料的“黄埔军校”。
制作磨料磨具需要的核心材料是金刚石。当时中国的金刚石依赖进口，想要加快工业化发展，中国必须研发自己的人造金刚石。
带着这样的历史使命，1960 年，郑州三磨所承接了这个国家研究课题。1963 年，中国终于成功研制出本国的第一颗人造金刚石，是继美国、苏联等国之后的第五个国家。但是，有了人造金刚石还不够，想要量产，就必须有制造金刚石的机器。
1965 年，郑州三磨所和济南铸造锻压机械研究所一起攻关，最终研发出了我国第一台六面顶压机。
六面顶压机的生产效率，是国外两面顶压机的 20 倍。随着这台“功勋压机”的问世，郑州开始成为磨具磨料中心，培养了许多技术人才，奠定了河南在超硬材料的领先地位。中国也由此，开始成为超硬材料的中心，从进口国成为出口国。据统计，河南超硬材料现有规上企业约 300 家，上市公司 7 家。
技术人员在探讨生产工艺。图片来源：新华社记者 杨静 摄
随着技术的提高，用六面顶压机培育的金刚石，纯度越来越高，很容易达到宝石级别的钻石标准。如今，河南柘城县已经成为中国的“人造钻石之都”，诞生了很多相关的知名企业。
性价比高的人工培育钻石市场买不买单？
目前，市场上宝石级别的天然钻石，1 克拉售价约 2 万起步。虽然开采成本高是一个因素，但价格居高不下的主要原因，还是钻石资源的垄断。有数据显示，世界上的钻石资源有 70% 掌握在五大钻石制造商手中。他们制定着整个行业的游戏规则，拥有绝对的定价权。
但随着人工培育钻石工艺的提高，人造钻石的品质已经可以与天然钻石媲美，且成本据说只有天然钻石的 10% 左右。如此大的利润空间，甚至吸引了像戴比尔斯、施华洛世奇等传统珠宝巨头纷纷开始布局人造钻石市场，LVMH 和 GUCCI 这类奢侈品牌也开始投资相关项目。
对于收藏级别的钻石而言，天然和稀缺性是价值的关键，但作为普通生活中佩戴的饰品而言，人造钻石因其极高的性价比，逐渐被消费者认知，市场前景广阔。
消费者在选购人造金刚石饰品。图片来源：新华社记者 杨静 摄
很多人关心，戴培育钻石能不能被人看出来？肉眼完全看不出来，无论是从火彩、净度、颜色，它都和真钻一样，只有通过大型仪器，检测二者的光谱才能识别出不同。随着培育钻石工业化的发展，人工钻石的价格还将有所降低。
除了作为宝石观赏人工培育钻石有更广阔前景
看起来只能当艺术品的美丽钻石，其实在工业领域运用非常广泛，更是被称为“工业牙齿”。
因为具有极高的硬度，钻石长期被使用在小到玻璃切割、手工研磨、机床工具，大到石油与天然气钻井、地质勘探、煤炭及矿物采掘、新能源等生产领域。
除此之外，钻石本身化学性质稳定，耐受酸性和碱性，还有极高的导热性，被视为是比“硅”更环保，更高效，更理想的终极半导体材料。
当前，市面上绝大部分的半导体材料使用的是硅。但硅有一些弱点——容易发热，且冷却效率低下，还是电子垃圾的主要来源。而钻石则完全没有这些问题。钻石半导体能够提高功率密度，还可以制造出更快、更轻、更简单的设备。人工培育钻石未来很重要的一个布局是，在光学、热学及半导体研究上得到应用。
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作者丨阿墩 科普创作者
审核丨高源 国家自然博物馆 副研究馆员
策划丨林林
责编丨何通
审校丨徐来、林林
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