天然鉆石（也就是“金剛石”）是由地球表面下數(shù)百千米（一般深度為150千米至250千米處）的碳在高溫高壓下結(jié)晶而成。這種來自地球深處的古老礦物，有時會隨著火山噴發(fā)而來到人間。除了被做成珠寶，硬度極高、光學透明、化學穩(wěn)定、導熱率高的鉆石也是很有價值的材料，在機械加工、工業(yè)材料、醫(yī)學、生物傳感甚至量子計算技術(shù)中都有廣泛應(yīng)用。

自從知道鉆石與石墨一樣是由碳元素組成之后，人們合成這種珍貴材料的探索就一直沒有停止。1893年，法國化學家莫瓦桑（Henri Moissan，因分離出元素氟獲得1906年的諾貝爾化學獎）從迪亞布洛峽谷鐵隕石內(nèi)發(fā)現(xiàn)極小鉆石顆粒，于是提出猜想，將金屬鐵加熱液化，利用其固化膨脹，為制備鉆石提供所需的高溫和高壓。

拉瓦錫用透鏡匯聚陽光煅燒鉆石，確定其化學成分

憑借多年對電弧爐的研究和改造，莫瓦桑成功在熔化后冷卻的鐵炭體系中，獲得了鉆石顆粒。不過遺憾的是，再沒有人重復出他的實驗。后來有傳言，實驗中的鉆石其實并不是真的制備而得，而是他的助手因為對無休止的反復實驗感到厭煩，偷偷把鉆石顆?；炝诉M去。當然，事實如何已無法考證，這也成了化學史上一段未解的公案。

鋯剛玉砂圈,棕剛玉砂圈,碳化硅砂圈,陶瓷磨料砂圈,煅燒剛玉砂圈

上世紀50年代，美國通用電氣公司（GE）以石墨和硫化鐵的混合物為前驅(qū)體，利用兩面頂裝置，高壓高溫條件下成功實現(xiàn)了鉆石的人工合成（HP-HT法）[1]。除了鐵元素，更多金屬催化劑被開發(fā)，裝置也改進為六面頂壓機，成為主流的人造鉆石合成方法。

2003年，美國阿波羅（Apollo）公司利用化學氣相沉積（CVD）技術(shù)生產(chǎn)出達到寶石級的鉆石，并開始進行商業(yè)化生產(chǎn) [2]。該方法需要的溫度和壓強遠低于HP-HT法，由于不受晶體自限性的影響，理論上制造的鉆石可以無限大，不過生長速度還制約著該方法的進一步發(fā)展。

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人造鉆石的合成不止局限于這幾種方法。近日，斯坦福大學Wendy L. Mao和Yu Lin等研究者在Science Advances 雜志上發(fā)表文章，以能從化石燃料中獲得的金剛烷類材料——金剛烷（adamantane）、二金剛烷（diamantane）、三金剛烷（triamantane）——為前驅(qū)體，通過激光誘導高壓高溫的方法合成高純度鉆石，所需最低壓力和溫度分別為12 GPa（~2000 K）和900 K（~20 GPa），進一步降低了高純度人造鉆石的制備難度。

此前的方法中，盡管加入催化劑可以降低合成鉆石的溫度和壓強，但同時催化劑的殘留也會造成產(chǎn)品質(zhì)量的降低。而Wendy L. Mao和Yu Lin等人工作的亮點在于，利用金剛烷類這種原子結(jié)構(gòu)類似鉆石的飽和烴類做前驅(qū)體，在不使用任何催化劑的條件下，也可以明顯降低合成溫度和壓強的閾值。

由金剛烷制備鉆石的P-T相圖以及三種金剛烷合成條件閾值

研究者通過分子動力學模擬了鉆石的形成過程。當溫度和壓強升高時，金剛烷迅速脫氫。在5 GPa、2000 K條件下，剩余碳原子部分斷鍵，形成隨機取向的石墨層；而在40 GPa、2000 K條件下，碳原子優(yōu)先形成四面體結(jié)構(gòu)，完成向鉆石的轉(zhuǎn)變。與石墨相比，金剛烷高度對稱，其中所有碳原子采取sp3雜化，這與鉆石非常類似，降低了轉(zhuǎn)變?yōu)殂@石的能壘，從而降低了合成溫度和壓強。

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對比三種金剛烷（金剛烷、二金剛烷和三金剛烷）的合成閾值以及實驗?zāi)M結(jié)果，三金剛烷的條件要求最低。于是研究者提出金剛烷合成鉆石時，碳骨架轉(zhuǎn)變過程的猜想：脫氫后的金剛烷直接縮合成鉆石結(jié)構(gòu)。金剛烷和二金剛烷形成立方鉆石結(jié)構(gòu)至少需要三個特殊取向的碳骨架，而三金剛烷只需要兩個碳骨架直接縮合，并且不需要C-C鍵的斷裂。這可能是其溫度和壓強閾值最低的原因。

“從這些金剛烷開始，可以更快、更容易地制造鉆石”，Wendy Mao說，“盡管我們目前的方法并不適合大規(guī)模合成鉆石，但是現(xiàn)在我們對制造高純度鉆石的關(guān)鍵步驟有了進一步了解……我們通過完整且細致的方式來研究了這一過程，而不是僅僅模仿在地球內(nèi)部高壓高溫條件下鉆石的自然形成過程?！盵3]

Sulgiye Park（本文一作）拿著三金剛烷樣品和其結(jié)構(gòu)模型

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