金刚石的作用有多大？多领域都离不开它，具体体现在哪里？

文|柳丝园a

编辑|柳丝园a

科学是关于现有法则和原则的知识，而工程则是将这些科学知识应用于建造、设计和创造对人类有用的东西。这些工程所使用的工具、设备和过程统称为技术。在很早的时候，大约在公元前4世纪，人们就在河床或矿井中发现了金刚石这种材料。

金刚石是已知最坚硬的石头，经过巧妙的切割和打磨后，闪烁着美丽的光芒，几个世纪以来吸引着各国的国王和王后。这种罕见的石头的切割和抛光技术在制作珠宝方面被广泛应用。制造珠宝时产生的钻石粉尘颗粒或者那些在矿山中不适合用于珠宝制造的小尺寸石头通常被用作磨料。由于金刚石极高的硬度，它被用来雕刻其他石头或磨削其他材料。然而随着20世纪晚期高压高温金刚石技术的出现，金刚石在切削工具中的工业应用变得可能。由于钻石的稀有开采性质，它们变得非常珍贵，一般收入水平的人难以负担得起。

有一种新工艺叫做化学汽相淀积，让制造高品质的钻石成为可能，使得我们能够用较低的成本制作珠宝。还有一种方法是用缺氧的TNT/RDX炸药引爆，从而制造出金刚石的微小颗粒。这些微小的金刚石颗粒被称为爆轰纳米金刚石，目前被广泛用作CVD工艺中金刚石生长的种子。然而，这种爆轰过程并不能制造出大尺寸的高质量钻石晶体，而高温高压可以制造宝石，但它们的尺寸有限且质量不佳，可能有瑕疵或夹杂物。

钻石作为宝石除了美学价值之外，还有一些特殊的材料属性，比如热导率、光学透明性覆盖广泛的电磁频谱、声波速度、强度等。这些属性使得金刚石可以被用在很多领域，如制造更快更小的电子产品、量子计算机、高功率激光器、核能技术，甚至是为医疗设备和水净化等领域提供支持，从而提高我们的生活质量。这些工程应用充分利用了对钻石材料属性的科学了解，将其应用于创造出对人类有用的事物。

后来随着现代科学的发展，科学家们发现金刚石是一种材料，在压痕硬度值方面，可以达到非常高的水平，高达53 GPa。我们可以通过比较不同工程材料的硬度。淬火后的钢的硬度仅为7 GPa，而金刚石的硬度却高达115 GPa。然而，硬度值受多种因素的影响，例如内部缺陷，如位错、杂质元素；晶体结构的单晶或多晶；生长方法的CVD或HPHT；晶面和晶向等。因此，金刚石的硬度值可以在25到100 GPa之间变化。由于金刚石的硬度非常高，人们将其用于研磨、磨削和抛光材料。它可以以不同的形式存在，如磨粉、磨浆、浸渍金属圆盘或纸张。

因为金刚石非常坚硬和强大，所以传统上它被用作切削工具。在机械加工中，展示了不同形状和尺寸的聚晶金刚石刀具。这些刀具用于处理天然石材，从从采石场开采未经加工的原石，到生产中间产品，再到最后抛光成品的步骤。金刚石工具在建筑行业广泛使用，用于切割和钻孔混凝土、沥青和其他材料。

正如前面提到的，金刚石还常用于抛光玻璃、陶瓷和其他坚硬的材料。不同类型的金属粘结或预合金化粉末与人造金刚石粉末混合，通过热压或烧结，用于制造磨料。研究人员已经发现，可以在传统的钴基硬质合金刀具表面形成双层金刚石涂层，其中含有微米和纳米晶金刚石颗粒。这不仅延长了刀具的使用寿命，还提高了切削效率。一旦表层涂层磨损，这种涂层刀具可以通过重新涂覆金刚石，一次又一次地重复使用。金刚石涂层是防护的好办法，特别是在涂层服务行业中。因为磨损是经济损失的主要原因，而机械组件内的机械摩擦会耗费很多能量。金刚石摩擦学是工程领域的一个重要应用。

当电流通过电子电路时，会产生热量，有时甚至可能导致器件损坏。随着未来设备变得更小、更快，每单位面积上的电子电路将承载更多电流，这将导致设备加热更严重。为了确保我们的设备高效运行，需要将这些热量从电子电路中散发出来，而金刚石在这方面表现得最出色，因为它具有极高的导热性。

以前的摩尔定律预测，每隔2年电子产品的尺寸会减少一半。而钻石的性能可以跟上这种速度。将钻石与电子芯片直接接触，可以有效地将电路中产生的热量传递出去，这有助于电流在设备内稳定流动，从而实现平稳运行。一些公司如Element Six已经商业化了使用CVD金刚石的散热器。当我们比较不同的冷却材料时，发现在电气工程中，金刚石比常用的铜更加高效。

聚晶金刚石与Cu/Ag/Ti等金属粉末进行合金化和混合，然后通过烧结将它们结合在一起，制造出用于电子封装应用的复合材料。因此，工程师们正在设计未来的技术，例如5G通信、用于太空或军事领域的雷达等，他们将钻石集成到电子电路中。

在能源和动力工程中，我们知道从高中物理课程中，导带和价带之间的能级差异会将材料分为不同的类型：a.绝缘体 - 能级差异很大，b.半导体 - 能级差异较小，c.金属 - 带有重叠。例如，材料如氮化镓、碳化硅和金刚石具有较大的能带差值，被称为宽能带材料。这些材料适用于高功率和高温环境，特别在高频能源工程方面。

随着时间的推移，为了跟上摩尔定律的发展，我们已经开始面临能源短缺的问题。为了应对这一问题，金刚石等宽能带材料被用于高功率密度的应用中，与其他宽带隙材料相比，金刚石拥有最大的带隙宽度，也具备最佳的电子和空穴迁移率、临界击穿电压以及优异的热膨胀系数。

然而需要注意的是，金刚石在室温下基本上是绝缘体，只有在经过适当的掺杂后才能变成半导体。例如，通过硼的掺杂，可以使金刚石具有室温下合适的电导率，从而产生与金属相似的导电性。然而通过磷的掺杂，金刚石会形成n型材料，但它具有深能级，只有在高温下才会变得活跃。而氮虽然无法直接用于制造n型导电性的金刚石，却能够产生NV中心缺陷，这在光电工程或量子计算机工程中具有应用前景。

虽然金刚石在某些方面具有出色的性能，但由于其缺乏适合的n型掺杂原子，限制了金刚石电子器件的发展前景。这意味着金刚石在一些情况下只能用作单一电极，但不能像晶体管那样被用作主要的电子元件。

想象一下在一个迷宫谜题中，我们需要找到唯一一条能够走出迷宫的路径。要做到这一点，我们需要一个接一个地尝试不同的路径，这可能会花费很多时间。经典计算机会通过尝试和错误来确定由0和1组成的二进制代码中的一个解决方案。但是量子力学告诉我们，在量子领域中，粒子可以同时存在于多个位置。这意味着，如果我们用量子位代替经典位，去解迷宫谜题，量子位由于其特殊的纠缠和叠加性质，有可能更快地找到正确的路径。

换句话说，如果我们要求一个量子位去寻找迷宫的出路，由于它的量子属性，它将同时尝试迷宫内的所有路径，然后在一瞬间找到正确的解！与传统计算相比，基于量子比特的量子计算有很多优势。它能够在更短的时间内处理更多的数据。在当今人工智能和机器学习领域，由于数据量的增加，传统计算机的能力已经达到极限。

因此提升计算能力变得更为迫切，而量子计算机提供了一种解决方法。量子位的研究始于1980年代，目前已经有了一些基于离子、量子点和低温超导材料的量子信息处理技术。然而，金刚石为我们提供了另一种选择，它利用了金刚石内的氮空位NV中心，创造了在室温下运行的固态量子位。在2018年，首次报道了使用金刚石中NV缺陷的室温连续波脉冲技术。许多大型和小型初创公司正致力于在未来十年左右的时间内，开发基于金刚石的实用量子计算机，得到了国家和国际政府机构的支持。51漫画

当涉及到化学工程时，我们可以说，掺有硼的金刚石电极被广泛应用在很多电化学领域，例如传感器、环境监测、电合成以及电催化等领域，这些都与能源和设备有关。此外金刚石还在一种叫做化学机械抛光的过程中被使用。金刚石抛光不仅仅是通过机械方式磨削硬表面，还利用了化学反应的综合效果来实现抛光。

当涉及声波和声学工程时，我们可以说，IDT金属线被精细地安装在SAW器件上，类似于图案一样51漫画。通过将声速除以IDT内部的间隔频率，我们可以用来制作汽车工业内燃机中极端高温高压条件下的压力和温度传感器。使用金刚石作为基材可以提升声表面波器件的频率，因为金刚石具有非常高的声速。实际上金刚石是声波速度最高的材料之一，这使得它非常适合应用在不同的声波领域，比如高音穹顶等。

在光电子工程领域，有一个很有趣的事情。金刚石晶格中存在一些特殊的缺陷，称为氮空位中心，它们在常温下具有量子自旋状态，这意味着它们可以与外部磁场互相影响。当外部磁场越强，它们之间的作用也就越显著。为了研究它们，科学家用电子顺磁共振谱技术，就像找到某个频率的收音机台时一样。他们用微波能量与这些缺陷的相互作用能量匹配，然后通过观察它们的光发射强度变化来测量局部磁场的大小。

这些特殊的氮空位中心在很多方面都有用途。例如，它们可以用来制作磁强计，可以测量地球的磁场，还可以探测材料的磁性特性，甚至在纳米尺度下测量温度。此外通过高温高压或CVD工艺制造的金刚石光学透镜因为其独特的性能，在宽范围的光谱中都有应用。它们可以用作人工晶状体，用于调节可见光的折射，甚至可以用在X射线仪器上，用来调整X射线的传播方向。总之金刚石在光电子工程中有着广泛的应用前景。

在生物工程学领域，金刚石的应用也非常有趣。我们知道，人工视网膜是一项非常重要的技术，可以帮助人们恢复视力。以前科学家们尝试用硅芯片做基础，但为了保护它，他们用超纳米晶金刚石进行了包裹，就像用保护膜保护手机屏幕一样。现在，金刚石电极甚至被尝试用于植入到假的视网膜中，通过电刺激来帮助恢复视力。

金刚石还有其他在生物工程中的用途。科学家们可以在金刚石表面做不同的化学处理，让它具备特定的功能，例如用于生物标记、生物芯片以及利用电化学反应。还有一种方法叫做微波等离子体化学气相沉积，可以制造出单晶金刚石。这种材料在癌症放射治疗中被用作剂量仪的检测器，帮助医生调整放射治疗的剂量，确保治疗效果。金刚石在生物工程学中有着许多应用，从视网膜恢复到生物标记，甚至在癌症治疗中发挥着重要作用。

金刚石是一种特殊的材料，它有非常好的机械性能，能够承受很大的力量，同时还有很高的热导率，就像导热很快。它还有很低的介电损耗角正切，就是电能损耗得很少。这些特性使得金刚石成为能量传输的好材料，特别是在聚变反应堆里当做能量传输窗口。

还有一些特殊的情况，比如设计了一种叫做合成金刚石探测器，可以用来测量非常小的剂量。这种探测器用在微束放射治疗和同步加速器微束中，确保精确地传送治疗剂量。另外，还有一种叫做β伏安法的方法，可以把放射性物质发出的高能电子转化成电流，用来供电。这些只是一些例子，展示了金刚石在各种工程应用中的潜力和前景，未来可能会有更多的技术和应用涌现出来。