文|柳絲園a

編輯|柳絲園a

科學(xué)是關(guān)于現(xiàn)有法則和原則的知識(shí)，而工程則是將這些科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于建造、設(shè)計(jì)和創(chuàng)造對(duì)人類有用的東西。這些工程所使用的工具、設(shè)備和過程統(tǒng)稱為技術(shù)。在很早的時(shí)候，大約在公元前4世紀(jì)，人們就在河床或礦井中發(fā)現(xiàn)了金剛石這種材料。

金剛石是已知最堅(jiān)硬的石頭，經(jīng)過巧妙的切割和打磨后，閃爍著美麗的光芒，幾個(gè)世紀(jì)以來吸引著各國的國王和王后。這種罕見的石頭的切割和拋光技術(shù)在制作珠寶方面被廣泛應(yīng)用。制造珠寶時(shí)產(chǎn)生的鉆石粉塵顆?；蛘吣切┰诘V山中不適合用于珠寶制造的小尺寸石頭通常被用作磨料。由于金剛石極高的硬度，它被用來雕刻其他石頭或磨削其他材料。然而隨著20世紀(jì)晚期高壓高溫金剛石技術(shù)的出現(xiàn)，金剛石在切削工具中的工業(yè)應(yīng)用變得可能。由于鉆石的稀有開采性質(zhì)，它們變得非常珍貴，一般收入水平的人難以負(fù)擔(dān)得起。

有一種新工藝叫做化學(xué)汽相淀積，讓制造高品質(zhì)的鉆石成為可能，使得我們能夠用較低的成本制作珠寶。還有一種方法是用缺氧的TNT/RDX炸藥引爆，從而制造出金剛石的微小顆粒。這些微小的金剛石顆粒被稱為爆轟納米金剛石，目前被廣泛用作CVD工藝中金剛石生長的種子。然而，這種爆轟過程并不能制造出大尺寸的高質(zhì)量鉆石晶體，而高溫高壓可以制造寶石，但它們的尺寸有限且質(zhì)量不佳，可能有瑕疵或夾雜物。

鉆石作為寶石除了美學(xué)價(jià)值之外，還有一些特殊的材料屬性，比如熱導(dǎo)率、光學(xué)透明性覆蓋廣泛的電磁頻譜、聲波速度、強(qiáng)度等。這些屬性使得金剛石可以被用在很多領(lǐng)域，如制造更快更小的電子產(chǎn)品、量子計(jì)算機(jī)、高功率激光器、核能技術(shù)，甚至是為醫(yī)療設(shè)備和水凈化等領(lǐng)域提供支持，從而提高我們的生活質(zhì)量。這些工程應(yīng)用充分利用了對(duì)鉆石材料屬性的科學(xué)了解，將其應(yīng)用于創(chuàng)造出對(duì)人類有用的事物。

后來隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)金剛石是一種材料，在壓痕硬度值方面，可以達(dá)到非常高的水平，高達(dá)53 GPa。我們可以通過比較不同工程材料的硬度。淬火后的鋼的硬度僅為7 GPa，而金剛石的硬度卻高達(dá)115 GPa。然而，硬度值受多種因素的影響，例如內(nèi)部缺陷，如位錯(cuò)、雜質(zhì)元素；晶體結(jié)構(gòu)的單晶或多晶；生長方法的CVD或HPHT；晶面和晶向等。因此，金剛石的硬度值可以在25到100 GPa之間變化。由于金剛石的硬度非常高，人們將其用于研磨、磨削和拋光材料。它可以以不同的形式存在，如磨粉、磨漿、浸漬金屬圓盤或紙張。

因?yàn)榻饎偸浅?jiān)硬和強(qiáng)大，所以傳統(tǒng)上它被用作切削工具。在機(jī)械加工中，展示了不同形狀和尺寸的聚晶金剛石刀具。這些刀具用于處理天然石材，從從采石場開采未經(jīng)加工的原石，到生產(chǎn)中間產(chǎn)品，再到最后拋光成品的步驟。金剛石工具在建筑行業(yè)廣泛使用，用于切割和鉆孔混凝土、瀝青和其他材料。

正如前面提到的，金剛石還常用于拋光玻璃、陶瓷和其他堅(jiān)硬的材料。不同類型的金屬粘結(jié)或預(yù)合金化粉末與人造金剛石粉末混合，通過熱壓或燒結(jié)，用于制造磨料。研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以在傳統(tǒng)的鈷基硬質(zhì)合金刀具表面形成雙層金剛石涂層，其中含有微米和納米晶金剛石顆粒。這不僅延長了刀具的使用壽命，還提高了切削效率。一旦表層涂層磨損，這種涂層刀具可以通過重新涂覆金剛石，一次又一次地重復(fù)使用。金剛石涂層是防護(hù)的好辦法，特別是在涂層服務(wù)行業(yè)中。因?yàn)槟p是經(jīng)濟(jì)損失的主要原因，而機(jī)械組件內(nèi)的機(jī)械摩擦?xí)馁M(fèi)很多能量。金剛石摩擦學(xué)是工程領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用。

當(dāng)電流通過電子電路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致器件損壞。隨著未來設(shè)備變得更小、更快，每單位面積上的電子電路將承載更多電流，這將導(dǎo)致設(shè)備加熱更嚴(yán)重。為了確保我們的設(shè)備高效運(yùn)行，需要將這些熱量從電子電路中散發(fā)出來，而金剛石在這方面表現(xiàn)得最出色，因?yàn)樗哂袠O高的導(dǎo)熱性。

以前的摩爾定律預(yù)測，每隔2年電子產(chǎn)品的尺寸會(huì)減少一半。而鉆石的性能可以跟上這種速度。將鉆石與電子芯片直接接觸，可以有效地將電路中產(chǎn)生的熱量傳遞出去，這有助于電流在設(shè)備內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。一些公司如Element Six已經(jīng)商業(yè)化了使用CVD金剛石的散熱器。當(dāng)我們比較不同的冷卻材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電氣工程中，金剛石比常用的銅更加高效。

聚晶金剛石與Cu/Ag/Ti等金屬粉末進(jìn)行合金化和混合，然后通過燒結(jié)將它們結(jié)合在一起，制造出用于電子封裝應(yīng)用的復(fù)合材料。因此，工程師們正在設(shè)計(jì)未來的技術(shù)，例如5G通信、用于太空或軍事領(lǐng)域的雷達(dá)等，他們將鉆石集成到電子電路中。

在能源和動(dòng)力工程中，我們知道從高中物理課程中，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能級(jí)差異會(huì)將材料分為不同的類型：a.絕緣體 - 能級(jí)差異很大，b.半導(dǎo)體 - 能級(jí)差異較小，c.金屬 - 帶有重疊。例如，材料如氮化鎵、碳化硅和金剛石具有較大的能帶差值，被稱為寬能帶材料。這些材料適用于高功率和高溫環(huán)境，特別在高頻能源工程方面。

隨著時(shí)間的推移，為了跟上摩爾定律的發(fā)展，我們已經(jīng)開始面臨能源短缺的問題。為了應(yīng)對(duì)這一問題，金剛石等寬能帶材料被用于高功率密度的應(yīng)用中，與其他寬帶隙材料相比，金剛石擁有最大的帶隙寬度，也具備最佳的電子和空穴遷移率、臨界擊穿電壓以及優(yōu)異的熱膨脹系數(shù)。

然而需要注意的是，金剛石在室溫下基本上是絕緣體，只有在經(jīng)過適當(dāng)?shù)膿诫s后才能變成半導(dǎo)體。例如，通過硼的摻雜，可以使金剛石具有室溫下合適的電導(dǎo)率，從而產(chǎn)生與金屬相似的導(dǎo)電性。然而通過磷的摻雜，金剛石會(huì)形成n型材料，但它具有深能級(jí)，只有在高溫下才會(huì)變得活躍。而氮雖然無法直接用于制造n型導(dǎo)電性的金剛石，卻能夠產(chǎn)生NV中心缺陷，這在光電工程或量子計(jì)算機(jī)工程中具有應(yīng)用前景。

雖然金剛石在某些方面具有出色的性能，但由于其缺乏適合的n型摻雜原子，限制了金剛石電子器件的發(fā)展前景。這意味著金剛石在一些情況下只能用作單一電極，但不能像晶體管那樣被用作主要的電子元件。

想象一下在一個(gè)迷宮謎題中，我們需要找到唯一一條能夠走出迷宮的路徑。要做到這一點(diǎn)，我們需要一個(gè)接一個(gè)地嘗試不同的路徑，這可能會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間。經(jīng)典計(jì)算機(jī)會(huì)通過嘗試和錯(cuò)誤來確定由0和1組成的二進(jìn)制代碼中的一個(gè)解決方案。但是量子力學(xué)告訴我們，在量子領(lǐng)域中，粒子可以同時(shí)存在于多個(gè)位置。這意味著，如果我們用量子位代替經(jīng)典位，去解迷宮謎題，量子位由于其特殊的糾纏和疊加性質(zhì)，有可能更快地找到正確的路徑。

換句話說，如果我們要求一個(gè)量子位去尋找迷宮的出路，由于它的量子屬性，它將同時(shí)嘗試迷宮內(nèi)的所有路徑，然后在一瞬間找到正確的解！與傳統(tǒng)計(jì)算相比，基于量子比特的量子計(jì)算有很多優(yōu)勢。它能夠在更短的時(shí)間內(nèi)處理更多的數(shù)據(jù)。在當(dāng)今人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)量的增加，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力已經(jīng)達(dá)到極限。

因此提升計(jì)算能力變得更為迫切，而量子計(jì)算機(jī)提供了一種解決方法。量子位的研究始于1980年代，目前已經(jīng)有了一些基于離子、量子點(diǎn)和低溫超導(dǎo)材料的量子信息處理技術(shù)。然而，金剛石為我們提供了另一種選擇，它利用了金剛石內(nèi)的氮空位NV中心，創(chuàng)造了在室溫下運(yùn)行的固態(tài)量子位。在2018年，首次報(bào)道了使用金剛石中NV缺陷的室溫連續(xù)波脈沖技術(shù)。許多大型和小型初創(chuàng)公司正致力于在未來十年左右的時(shí)間內(nèi)，開發(fā)基于金剛石的實(shí)用量子計(jì)算機(jī)，得到了國家和國際政府機(jī)構(gòu)的支持。51漫畫

當(dāng)涉及到化學(xué)工程時(shí)，我們可以說，摻有硼的金剛石電極被廣泛應(yīng)用在很多電化學(xué)領(lǐng)域，例如傳感器、環(huán)境監(jiān)測、電合成以及電催化等領(lǐng)域，這些都與能源和設(shè)備有關(guān)。此外金剛石還在一種叫做化學(xué)機(jī)械拋光的過程中被使用。金剛石拋光不僅僅是通過機(jī)械方式磨削硬表面，還利用了化學(xué)反應(yīng)的綜合效果來實(shí)現(xiàn)拋光。

當(dāng)涉及聲波和聲學(xué)工程時(shí)，我們可以說，IDT金屬線被精細(xì)地安裝在SAW器件上，類似于圖案一樣51漫畫。通過將聲速除以IDT內(nèi)部的間隔頻率，我們可以用來制作汽車工業(yè)內(nèi)燃機(jī)中極端高溫高壓條件下的壓力和溫度傳感器。使用金剛石作為基材可以提升聲表面波器件的頻率，因?yàn)榻饎偸哂蟹浅８叩穆曀佟?shí)際上金剛石是聲波速度最高的材料之一，這使得它非常適合應(yīng)用在不同的聲波領(lǐng)域，比如高音穹頂?shù)取?/p>

在光電子工程領(lǐng)域，有一個(gè)很有趣的事情。金剛石晶格中存在一些特殊的缺陷，稱為氮空位中心，它們?cè)诔叵戮哂辛孔幼孕隣顟B(tài)，這意味著它們可以與外部磁場互相影響。當(dāng)外部磁場越強(qiáng)，它們之間的作用也就越顯著。為了研究它們，科學(xué)家用電子順磁共振譜技術(shù)，就像找到某個(gè)頻率的收音機(jī)臺(tái)時(shí)一樣。他們用微波能量與這些缺陷的相互作用能量匹配，然后通過觀察它們的光發(fā)射強(qiáng)度變化來測量局部磁場的大小。

這些特殊的氮空位中心在很多方面都有用途。例如，它們可以用來制作磁強(qiáng)計(jì)，可以測量地球的磁場，還可以探測材料的磁性特性，甚至在納米尺度下測量溫度。此外通過高溫高壓或CVD工藝制造的金剛石光學(xué)透鏡因?yàn)槠洫?dú)特的性能，在寬范圍的光譜中都有應(yīng)用。它們可以用作人工晶狀體，用于調(diào)節(jié)可見光的折射，甚至可以用在X射線儀器上，用來調(diào)整X射線的傳播方向?？傊饎偸诠怆娮庸こ讨杏兄鴱V泛的應(yīng)用前景。

在生物工程學(xué)領(lǐng)域，金剛石的應(yīng)用也非常有趣。我們知道，人工視網(wǎng)膜是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，可以幫助人們恢復(fù)視力。以前科學(xué)家們嘗試用硅芯片做基礎(chǔ)，但為了保護(hù)它，他們用超納米晶金剛石進(jìn)行了包裹，就像用保護(hù)膜保護(hù)手機(jī)屏幕一樣?，F(xiàn)在，金剛石電極甚至被嘗試用于植入到假的視網(wǎng)膜中，通過電刺激來幫助恢復(fù)視力。

金剛石還有其他在生物工程中的用途?？茖W(xué)家們可以在金剛石表面做不同的化學(xué)處理，讓它具備特定的功能，例如用于生物標(biāo)記、生物芯片以及利用電化學(xué)反應(yīng)。還有一種方法叫做微波等離子體化學(xué)氣相沉積，可以制造出單晶金剛石。這種材料在癌癥放射治療中被用作劑量儀的檢測器，幫助醫(yī)生調(diào)整放射治療的劑量，確保治療效果。金剛石在生物工程學(xué)中有著許多應(yīng)用，從視網(wǎng)膜恢復(fù)到生物標(biāo)記，甚至在癌癥治療中發(fā)揮著重要作用。

金剛石是一種特殊的材料，它有非常好的機(jī)械性能，能夠承受很大的力量，同時(shí)還有很高的熱導(dǎo)率，就像導(dǎo)熱很快。它還有很低的介電損耗角正切，就是電能損耗得很少。這些特性使得金剛石成為能量傳輸?shù)暮貌牧?，特別是在聚變反應(yīng)堆里當(dāng)做能量傳輸窗口。

還有一些特殊的情況，比如設(shè)計(jì)了一種叫做合成金剛石探測器，可以用來測量非常小的劑量。這種探測器用在微束放射治療和同步加速器微束中，確保精確地傳送治療劑量。另外，還有一種叫做β伏安法的方法，可以把放射性物質(zhì)發(fā)出的高能電子轉(zhuǎn)化成電流，用來供電。這些只是一些例子，展示了金剛石在各種工程應(yīng)用中的潛力和前景，未來可能會(huì)有更多的技術(shù)和應(yīng)用涌現(xiàn)出來。