都是由碳元素構(gòu)成，為什么石墨質(zhì)軟而金剛石硬？

出品：科普中國

作者：超級大陸團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國科普博覽

提起鉆石，人們就會(huì)聯(lián)想到光彩奪目、閃爍耀眼的情景，它隨著擁有者的活動(dòng)而光芒四射。但因它的昂貴價(jià)格，大多數(shù)人只能望而卻步。盡管如此，人們對鉆石還是很向往的。

（圖片來源：veer圖庫）

你知道鉆石是什么嗎？它的化學(xué)成分是碳（C），天然的鉆石是由金剛石經(jīng)過琢磨后才能稱之謂“鉆石”。天然的鉆石是非常稀少的，物以稀為貴，正因?yàn)榭勺觥般@石“用的天然金剛石很罕見，人們就想“人造“金剛石來代替它，這就自然地想到了金剛石的“孿生“兄弟——石墨了。

金剛石和石墨的化學(xué)成分都是碳（C），科學(xué)家們稱之為“同質(zhì)多像變體”，也有人稱“同素異形體”。從這種稱呼可以知道它們具有相同的“質(zhì)”，但“形”或“性”卻不同，且有天壤之別，金剛石是目前最硬的物質(zhì)，而石墨卻是最軟的物質(zhì)之一。

大家都知道鉛筆芯就是用石墨粉和粘土配比而制成的，石墨粉多則軟，用“B“表示，粘土摻多了則硬，用“H”表示。礦物學(xué)家用摩氏硬度來表示相對硬度，金剛石為10，而石墨的摩氏硬度只有１。它們的硬度差別那么大，關(guān)鍵在于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大的差異。

（圖片來源：veer圖庫）

石墨內(nèi)部的碳原子呈層狀排列，一個(gè)碳原子周圍只有3個(gè)碳原子與其相連，碳與碳組成了六邊形的環(huán)狀，無限多的六邊形組成了一層。層與層之間聯(lián)系力非常弱，而層內(nèi)三個(gè)碳原子聯(lián)系很牢，因此受力后層間就很容易滑動(dòng)，這就是石墨很軟能寫字的原因。

金剛石內(nèi)部的碳原子呈“骨架”狀三維空間排列，一個(gè)碳原子周圍有4個(gè)碳原子相連，因此在三維空間形成了一個(gè)骨架狀，這種結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向聯(lián)系力均勻，聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，因此使金剛石具有高硬度的特性。

（圖片來源：veer圖庫）

石墨和金剛石的硬度差別如此之大，但人們還是希望能用人工合成方法來獲取金剛石，因?yàn)樽匀唤缰惺ㄌ迹┎亓渴呛茇S富的。但是要使石墨中的碳變成金剛石那樣排列的碳，不是那么容易的。十八世紀(jì)后期，人們就開始尋找合成的途徑，直至本世紀(jì)中葉。1938年學(xué)者羅西尼通過熱力學(xué)計(jì)算，奠定了合成金剛石的理論基礎(chǔ)，算出要使石墨變成金剛石，至少要在15000個(gè)大氣壓、攝氏1500度的高溫條件下才可以，到50-60年代建成了能達(dá)到上述條件的儀器裝置。石墨在5-6萬大氣壓，即（5-6）×103MPa，及攝氏1000至2000度高溫下，再用金屬鐵、鈷、鎳等做催化劑，可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。

目前世界上已有十幾個(gè)國家（包括我國）均合成出了金剛石。但這種金剛石因?yàn)轭w粒很細(xì)，主要用途是做磨料，用于切削和地質(zhì)、石油的鉆井用的鉆頭。當(dāng)前，世界金剛石的消費(fèi)中，80%的人造金剛石主要是用于工業(yè)，它的產(chǎn)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然金剛石的產(chǎn)量。

現(xiàn)在，從空間站宇航員的防輻射面罩，南水北調(diào)工程巨型盾構(gòu)機(jī)的鉆頭，CVT變速器精密成型電鍍砂輪的鋒刃之上，中國制造的人造金剛石作為最鋒利的“工業(yè)牙齒”，攬下了一個(gè)又一個(gè)的瓷器活，為國內(nèi)眾多制造業(yè)企業(yè)突破技術(shù)瓶頸提供了“精良利器”。