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Taiwan Panorama 台灣光華 / 主編推薦 / 內文:親愛的,我把鑽石變大了! ──毛河光點碳成鑽
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2006年9月第108頁
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親愛的,我把鑽石變大了! ──毛河光點碳成鑽
文•張瓊方 圖•毛河光提供
 
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人類的歷史若以材料來分期,從遠古的石器時代、彩陶、黑陶、青銅、鐵、塑膠,一路走到了20世紀半導體矽的時代。

那麼,未來呢?中研院物理組院士毛河光語出驚人地預言,21世紀將是鑽石的時代。

一向被視為稀世珍寶的鑽石,真能化身為普及的材料?且看毛河光如何燒碳成鑽,把鑽石越變越大,徹底顛覆鑽石舊價值、創造了鑽石的新價值。

7月上旬,毛河光風塵僕僕地由美國返台參加中研院第27屆院士會議,會中他以「透過鑽石窗,看物理、化學、生物、地學及材料科學的新世界」為題,發表演說。

毛河光著迷於透過鑽石發現的新世界;然而,國人更矚目的,卻是他「把鑽石越變越大」的神奇魔法,以及他所預言的鑽石世代。

「鑽石比矽更小、更快、更省電、更耐熱,遲早會取代目前半導體中大量使用的矽,成為明日閃亮的新星,」在院士會議上,一身唐衫的毛河光自信滿滿地說:「不久的將來,矽谷會變成鑽石谷!」

毛河光,中央研究院第20屆院士,現任美國卡內基研究院地球物理實驗室高壓研究組的負責人。1963年他從台大地質系畢業、1968年取得美國羅徹斯特大學博士學位,隨即進入卡內基研究院從事高壓物理研究。

2005年,毛河光以「物質在超高壓力下的性質變化研究」獲得全球學界最高的榮譽獎項之一──義大利巴仁獎;此外他在礦物科學方面的成就,也先後獲得了「瑞典皇家科學院愛明諾夫獎」、「美國礦物學會羅勃林獎」的肯定。

毛河光在高壓物理領域中是公認的世界權威,這次因鑽石而聲名大噪卻屬意外。

不只是寶石

「鑽石恆久遠,一顆永流傳」,在一般人眼裡尊貴、價值非凡、象徵愛情歷久彌堅的鑽石,在高壓物理學者毛河光的眼中,卻只是「碳的高壓相」。

並非科學家不解風情,也不是毛河光不懂行情。事實上,鑽石的用途極廣,其中最不具「價值」的就屬珠寶的裝飾用途。

「鑽石作為寶石,其實是『大材小用』了,」對毛河光來說,鑽石不只是寶石,更是完美的材料。「鑽石具備許多不可多得的優質特性,是其他材料無法取代的。」

舉例來說,鑽石具有半導體性質(某些條件下會導電,某些情況下又會絕緣),做成晶片會比矽更佳,因為矽在超過攝氏140度以上的溫度中就不能運作,而鑽石可以耐熱到上千度;鑽石是導熱、散熱俱佳的材質,很多電子用品發展到極限時都會碰到無法散熱的技術瓶頸,若改用鑽石散熱片,則可以大幅提昇運轉功率。鑽石也是自然界最硬的材料(硬度10),可以作為各種堅硬材料的磨具、車床,以及車刀、水刀上的噴頭(水刀是利用水柱通過小孔的強大壓力來切割物品,必須使用能耐高壓的鑽石噴頭);即使被磨成只剩一個分子或原子,也依然保持銳利堅硬,可以做成最頂級、精細的手術刀。

此外,鑽石對化學藥品的抗拒性很強,沒有東西可以腐蝕它;它的摩擦係數小(不沾鍋),替代不袗用來接骨,一來不會磨損,二來也不會造成身體的排斥。

鑽石的好處述說不盡,但因稀少又太過昂貴,一直以來無法被大量使用。

鑽石恆久遠?

對毛河光來說,鑽石則是他從事高壓研究的工具,而人造鑽石其實是這項研究的副產品。

毛河光利用鑽石做「高壓砧」,以等同於地心的超高壓力(360萬大氣壓)加諸其上,藉此來觀察高壓世界裡的各種物質變化。「像硼、碳、氧、硫、碘等元素,在高壓下都會變成金屬,而且變成超導體,」毛河光說,物質的物理及化學特性會因壓力而全盤翻轉,這是一種新的科學現象。

「鑽石對我來說不是FOREVER,」為了在微小的面積上做超高壓研究,毛河光已經用破了幾千個鑽石做的壓砧。因為實驗室只買得起每顆1/3克拉、1000美元的鑽石,而3克拉就要10萬美元,理想中的30克拉、幾百克拉大型鑽石壓砧更是不可能,「有錢也買不到,」,於是毛河光興起了「何不自己做鑽石?」的念頭。

科學從頭開始

「高壓研究在20世紀以前是空白的,」毛河光說,壓力、溫度、元素成分,被稱為物質科學的三維空間,能控制、改變物質的性質。過去的研究著重在溫度變化與化學成分對物質的影響,唯獨「壓力」這個變項一直以來都被忽視,原因是過去的實驗技術創造不出高壓環境,也無法觀察、確定物質在高壓下會發生什麼變化。

高壓研究直到20世紀才啟蒙,近三十年才達到夠高的壓力,近十年才具備完善的探測手段,因此可以說是21世紀的新科學。

「加入壓力這個變項後,科學等於從頭開始!」毛河光如是說。

以水為例,水因溫度的不同,有液態、氣態、固態3種不同型態,但如果加上壓力,會產生相乘效果,變成至少20種型態,例如現在很時髦的「電漿」就是其中一種。

再以眾所周知的石墨(碳)為例,石墨在高壓下會變成鑽石,但石墨和鑽石具有完全不同的特性:石墨軟、鑽石硬;石墨黑、鑽石晶瑩剔透;石墨導電、鑽石絕緣。

在高壓下,毛河光還發現除了水銀以外第二個液態金屬──鈉,鈉在高壓下的融點下降到室溫,成為液態。

基礎高壓研究中的各項發現,如果有辦法帶回常壓環境內持續下去,就能造就許多非常有價質的材料。能源就是其中一個例子。

由於全球的石油和天然氣估計在50年內即將耗盡,尋找替代能源已是當務之急。其中,用氫來做燃料是一個研究方向。

氫(H)是宇宙中最多的元素,而水(H2O)是宇宙中最多的化合物,只要分解水即可獲得氫,可以說是取之不盡。問題是如何將氫製成燃料,像目前汽油般注入汽車的技術面,一直不能解決。

雖然以氫為燃料的汽車早已研發出來,但液態氫會蒸發,而氣態氫儲存起來體積龐大,宛如氣體炸彈,危險性高。根據毛河光的研究,在高壓下將氫與水合成氫水化合物,水會變成一個籠子,把氫包在裡面,變成像冰塊一樣。將這個氫水化合物解除高壓、重新帶回常壓常溫中,氫就可以釋放出來,並且可燃,俗稱「可燃冰」。

毛河光的高壓研究,找到安全、有效率地儲存並釋放氫的新途徑,這項技術已經獲得美國專利,但離商品化還有一大段距離。

假的真不了?

再回到鑽石,天然鑽石是碳元素在地底超高壓、高溫(360萬大氣壓、攝氏6000度)下、歷經十幾億年的時間,慢慢形成的。高壓、高溫再加上歷時久遠,鑽石一直被視為是「只有上帝才能創造的寶物」。而今,毛河光打破了鑽石的神蹟,揭櫫「牛糞也可以做鑽石」的事實。

去年5月,毛河光的研究團隊參加日本第10屆「國際新鑽石科技會議」,發表了一顆實驗室製造的10克拉CVD(化學氣相沈積法)人造鑽石,震驚國際。

有新聞週刊報導,CVD人造鑽石的問世,將使全世界年營業額六百億美元的傳統天然鑽石市場,面臨崩盤的危機。

毛河光實驗室做出來的人造鑽石,質地與天然鑽石無異,經過雕琢切割,也可以散發晶瑩耀眼、亮透無暇的色澤,就連鑽石鑑定專家都難以分辨,而價格卻只有天然鑽石的十分之一。

毛河光指出,人造鑽石其實不是什麼奇蹟,原理十分簡單,只要將沼氣(主要的成分為甲烷,牛糞中的細菌也可以製造甲烷)加熱到高溫,再想辦法讓碳沈澱下來即可。由於原料不用錢,只是耗費電力,因此有人稱此種人工鑽石為「沼氣鑽石」或「垃圾鑽石」。但這種人造鑽石體積小、品質也不佳,再加上曠日廢時,一克拉要長幾個月,製造起來不合成本效益。

此外,利用高溫高壓法加熱天然氣和氫氣,也可以做到4克拉大的鑽石。這種方法的缺點是要用很大的加壓機,生長慢且有雜質,成本也過於昂貴。

1981年,蘇聯和中國大陸發展出高溫低壓的「化學氣相沈積法」,用微波爐加熱來做人造CVD鑽石。

1990年初,各國研究團隊,包括台灣的工研院和各大學都投入類似的研究,但到了2000年仍無突破,大家紛紛放棄。原因是,CVD過程中很難控制鑽石單晶(指分子排列序列相同)成長,而且3個月才長出半克拉,耗費電力,根本不實用。

毛河光的研究團隊卻鍥而不捨。5年前毛河光指導的研究生顏志學加入團隊,致力於摸索如何讓鑽石長得更快、更大,而且是一顆不能有裂痕的單晶(若是「聚晶」,上面會有分子間交織接合的痕跡,一旦有裂痕,高壓下鑽石容易碎裂)。「這是一個很大的冒險,需要有勇氣和毅力,」毛河光說。

牛糞變鑽石

皇天不負苦心人,毛河光團隊研發的「單晶外延法」,又稱為「微波漿氣體堆積法」:先選定一顆母石(鑽石)做為基底,同樣使用微波爐加熱原理,讓甲烷(CH4)分解,去掉氫,甲烷中與鑽石一樣的碳分子有了母石做「榜樣」,也會學著整齊排列,並依附、累積到母石上。用這種方式讓鑽石長大,不僅速度比其他方式快了100倍到300倍,成本又低廉,而且體積大、硬度高、單晶無暇。一克拉大小的價格只有天然鑽石的十分之一,而且體積越大,價格差距越大。

CVD人造鑽石雖然還在實驗中,尚未達到非常穩定的境界,但毛河光相當有信心。他表示,未來一、二年內就可以由製造10克拉鑽石進步到100克拉,距離他的目標──製成完美高壓砧、可以承受超高壓力的1000克拉鑽石,也只是時間問題而已。

除了不斷研發讓鑽石繼續長好、長大外,如何與天然鑽石區隔,以免真的「害」全球鑽石市場土崩瓦解,也是毛河光念茲在茲的重點。

「專家難以鑑定不是好事,」毛河光說,破壞市場對誰都沒有好處。雖然人造鑽石可以做到與天然鑽石質量相同,但無論如何,天然與人工形成的方法、所經歷的時間都不相同,必然有細節上的不同,必須發展出有公信力的辨識方法,才不會有混亂市場、欺騙的嫌疑。

自然界中萬物平等,而鑽石──碳的高壓相──說穿了,並沒有特別尊貴。毛河光顛覆了人們對鑽石的遐想,目的不在打破鑽石的價格,而是為它創造更多、更能造福人類的價值。

   
 
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