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《《原子晶体与分子晶体》素材1（鲁科版选修3）》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、第三节原子晶体与分子晶体在温室气体中收获金刚石一、大自然赐予人类的礼物w.w.w.g.k.x.x.c.o.m金刚石是一种矿物，早在公元前1000年，人们就发现并知道金刚石很硬,“金刚石”的英文名diamond,源于阿拉伯字“almas”(“最坚硬的”)。长期以来，她无论是在科学家还是在普通老百姓心目中都占据着重要地位。一直以来，人们都热衷于收藏各式各样的钻石（加工过的金刚石），因为精美华丽的钻石不仅是富贵的象征，更是权利和地位的象征，所以，钻石的价值早已超出了它的实际价格。科学研究揭示，由碳元素组成的金刚石，竟与自然界最软的物质石墨同宗同祖，只是结构
2、即晶体内原子排列不同。30亿年前，在地壳下面150千米或更深的地幔中,处在高温高压岩浆中的碳，被锤炼成一种特殊结构的、呈八面体等外形的晶体。火山爆发时，它们夹在岩浆中，上升到接近地表时冷却，形成含有少量钻石的原生矿床——金伯利岩。自然界中天然钻石少之又少，大颗粒钻石更是凤毛麟角。一般说来,人们从1吨金刚石砂矿中，只能得到0.5克拉钻石,所以它们远不能满足人们日益增长的需求。二、金刚石人工合成的艰辛而漫长里程w.w.w.g.k.x.x.c.o.m由于金刚石具有上述优异性能和用途，加之在自然界中储量极少,开采极为困难,从古到今,金刚石一直被称为“贵族材料
3、”。人们很早就尝试以人工合成来补充天然储量的不足。（一）高温高压法合成金刚石w.w.w.g.k.x.x.c.o.m1796年，S.Tennant将金刚石燃烧成CO2，证明金刚石是由碳组成的。后来又知道天然金刚石是碳在深层地幔经高温高压转变而来的，因此人们一直想通过碳的另一同素异形体石墨来合成金刚石。从热力学角度看，在室温常压下,石墨是碳的稳定相,金刚石是碳的不稳定相；而且金刚石与石墨之间存在着巨大的能量势垒。要将石墨转化为金刚石，必须克服这个能量势垒。根据热力学数据以及天然金刚石存在的事实，人们开始模仿大自然的高温高压条件将石墨转化为金刚石的研究，即
4、所谓的高温高压(HPHT)技术。早期合成金刚石的想法始于1832年法国的Cagniard及后来英国的Hanney和HenryMoisson。但直到1953年,瑞典的Liander等人才通过HPHT技术首次成功地合成了金刚石，接着美国GE公司的F.P.Bundy等人利用高考学习网－中国最大高考学习网站Gkxx.com
5、我们负责传递知识！此法也得到了人造金刚石。他们把石墨与金属催化剂相混合，通常使用Fe、Ni、Co等金属作催化剂，在约1300～1500k和6～8Gpa的压强下得到了金刚石。并于60年代将HPHT金刚石应用于工具加工领域。不用催化剂合成金刚
6、石的实验在1961年获得成功。用爆炸的冲击波提供高压和高温条件，估计压强为30Gpa,温度约1500k，得到的金刚石尺寸为10微米。1963年又在静压下得到了金刚石，压强为13Gpa，温度高于3300k，历时数秒钟得到的金刚石尺寸为20～50微米。目前使用HPHT生长技术，一般只能合成小颗粒的金刚石；在合成大颗粒金刚石单晶方面，主要使用晶种法，在较高压力和较高温度下(6000MPa，1800K)，几天时间内使晶种长成粒度为几个毫米，重达几个克拉的宝石级人造金刚石，较长时间的高温高压使得生产成本昂贵，设备要求苛刻，而且HPHT金刚石由于使用了金属催化剂
7、，使得金刚石中残留有微量的金属离子，因此要想完全代替天然金刚石还有相当长的时间；而且用目前的技术生产的HTHP金刚石的尺寸只能从数微米到几个毫米，这也限制了金刚石的大规模应用。（二）“百年一逆”w.w.w.g.k.x.x.c.o.m我们用自己研制的高压反应釜进行实验，用安全无毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为还原剂，在440℃和几百个大气压的温和条件下，经过12小时的化学反应,成功地将CO2还原成了金刚石.用碳酸镁代替CO2也成功地合成了金刚石,晶粒尺寸增加到0.51毫米，在灯光下闪闪发光。碳酸镁为固体反应物，容易操作，它的成功使用一方面使工艺更加简
8、化，另一方面为探索天然金刚石的起源提供了更多有价值的信息，因碳酸镁是地球内部常见的矿物。金刚石合成新工艺的探索是一项艰难的工作，两个多世纪以来，也曾有过几项新技术被报道，但难以重复而没有工业化，有的工艺甚至没有后续的进一步研究结果报道.还原CO2合成金刚石有比较好的重复性，用碱金属Li，K代替Na也取得了成功。图1示出了该工艺合成的含金刚石样品的扫描电镜照片，小晶粒呈八面体外形，呈现典型的金刚石结晶习性，尺寸约10微米，实验中发现尺寸增大，八面体外形消失。X-射线粉末衍射、电子衍射及拉曼光谱的分析结果都证实产物为立方金刚石。w.w.w.g.k.x.x
9、.c.o.m关于金刚石的组成和结构曾困绕过很多著名科学家，牛顿和拉瓦锡等都曾做过有关研究,1796年英国科学
