钻石

钻石是碳元素的固体形式，其原子排列在称为金刚石立方体的晶体结构中。 另一种碳的固体形式称为石墨，是碳在室温和压力下的化学稳定形式，但金刚石是亚稳态的，在这些条件下以可忽略不计的速度转化为碳。 钻石具有所有天然材料中最高的硬度和导热性，这些特性用于主要工业应用，例如切割和抛光工具。 它们也是金刚石砧座可以使材料承受地球深处压力的原因。

由于金刚石中的原子排列极其严格，很少有杂质会污染它（两个例外是硼和氮）。 少量缺陷或杂质（约百万分之一的晶格原子）颜色钻石蓝色（硼）、黄色（氮）、棕色（缺陷）、绿色（辐射暴露）、紫色、粉红色、橙色或红色。 钻石还具有非常高的折射率和相对较高的光学色散。

大多数天然钻石的年龄在 10 亿至 35 亿年之间。 大多数形成于地幔 150 至 250 公里（93 至 155 英里）之间的深度，尽管少数来自 800 公里（500 英里）深处。 在高压和高温下，含碳流体溶解了各种矿物质，取而代之的是钻石。 最近（数百到数千万年前），它们在火山喷发中被带到地表，并沉积在称为金伯利岩和钾镁陨石的火成岩中。

合成钻石可以在高压和高温下从高纯度碳中生长出来，或者通过化学气相沉积 (CVD) 从碳氢化合物气体中生长出来。 仿制钻石也可以由立方氧化锆和碳化硅等材料制成。 天然、合成和仿制钻石最常使用光学技术或热导率测量来区分。

钻石是纯碳的固体形式，其原子排列在晶体中。 根据化学键的类型，固体碳有不同的形式，称为同素异形体。 纯碳的两种最常见的同素异形体是金刚石和石墨。 在石墨中，键是 sp2 轨道杂化物，原子在平面中形成，每个原子都与相隔 120 度的三个最近的邻居结合。 在金刚石中，它们是 sp3，原子形成四面体，每个原子都与四个最近的邻居相连。 四面体是刚性的，键结牢固，在所有已知物质中，金刚石每单位体积的原子数最多，这就是为什么它是最硬和最不可压缩的。 它还具有高密度，天然钻石的密度为每立方米 3150 至 3530 千克（超过水密度的三倍），纯钻石的密度为 3520 千克/立方米。 在石墨中，最近邻之间的键合更强，但平行相邻平面之间的键合较弱，因此平面之间很容易滑过彼此。 因此，石墨比金刚石软得多。 然而，更强的键使石墨不易燃。

由于材料的特殊物理特性，钻石已被用于许多用途。 它具有最高的导热系数和最高的声速。 它具有低附着力和摩擦力，热膨胀系数极低。 其光学透明度从远红外延伸到深紫外，具有很高的光学色散。 它还具有高电阻。 它具有化学惰性，不与大多数腐蚀性物质发生反应，具有优良的生物相容性。

石墨和金刚石之间转变的平衡压力和温度条件在理论上和实验上都得到了很好的确立。 平衡压力随温度线性变化，在 0 K 时的 1.7 GPa 和 5000 K 时的 12 GPa 之间（金刚石/石墨/液体三相点）。然而，相在这条线附近有一个宽阔的区域，它们可以在那里共存。

在常温常压、20°C (293K) 和 1 个标准大气压 (0.10MPa) 下，碳的稳定相是石墨，而金刚石是亚稳态的，其向石墨的转化率可以忽略不计。 然而，在大约 4500 K 以上的温度下，金刚石会迅速转化为石墨。 石墨快速转化为金刚石需要远高于平衡线的压力：在 2000 K 时，需要 35 GPa 的压力。

在石墨-金刚石-液态碳三相点以上，金刚石的熔点随着压力的增加而缓慢升高； 但在数百 GPa 的压力下，它会降低。 在高压下，硅和锗具有 BC8 体心立方晶体结构，预计碳在高压下也具有类似的结构。 在 0 K 时，转变预计发生在 1100 GPa。