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钻石都能人工培育了?美国公司用温室气体造出“真”钻石

  • 2017年9月29日 lihuizhen来源:造就 760 45
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我们的工具可以在两周内培育出一颗钻石……但我们钻石中的原子跟宇宙一样古老。

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  钻石是地球上最古老的奢侈之物,而如今,一家初创企业只需两周时间,就能在实验室里创造出一颗钻石。但Diamond Foundry公司能否在人工培育钻石身上,再现天然钻石的魅力呢?这样培育出来的钻石,价值几许呢?

  几个世纪以来,人们为开采钻石,可谓历尽艰辛、不惜代价。从炙热的纳米布沙漠,到冰封的加拿大冻原,有死火山的地方,就有人们搜寻钻石的身影。在那里,浴火重生的史前遗碳从地核中喷出,在人们的想象中占据了特殊的一席。

  但如今,寻找钻石已不用如此费力,也无需如此“肮脏”。

  距旧金山国际机场不远处,有一条貌不惊人的街道,两旁是低矮的物流与轻工业仓库。正是在那儿一个窗明几净的房间里,我目睹了一块钻石的诞生。说亲眼目睹有些夸张,因为那光线太过耀眼,令人无法直视。确切来说,钻石是在一个反应器内部诞生的。这个反应器跟数据中心那些成排的设备没什么两样,只不过,它连接着一些输送气体和水的软管。

  一道幽灵般的蓝光从一块玻璃的边缘透出。“你看到的是钻石培育过程中释放的光。”Diamond Foundry联合创始人、首席技术官杰里米·舒尔兹(Jeremy Scholz)说。该公司在实验室生产钻石,它被称为“人工培育钻石”。在反应启动之前,舒尔兹关闭了电脑屏幕,并告诉我不能使用手机。“含碳气体通电后,就会像日光灯一样发光。”

  反应室大小相当于一个保龄球,开有圆形舷窗,以螺栓固定,看着就像儒勒·凡尔纳(Jules Verne)小说中的潜艇。反应室内发生的过程名为化学气相沉积。按照舒尔兹的话,最通俗的解释,就是“从气体中培养出固体物质”。

  内里放置一块12毫米厚的薄板,又称“钻石种子”。它被暴露在各种化学物质之中,其中包括氢气和气体形式的碳,给它们通电用的是高强度的磁放电,功率足以驱动18轮卡车,温度比太阳还高。说起来,钻石培育的过程与玩具店卖的“水晶DIY”套装大同小异——这是从最宽泛的科学意义上来解释。

  “这些不是人造钻石,它们不像人造纤维那样是人造的。它们是真钻,是培育出来的。”

  ——Diamond Foundry公司CEO马丁·罗斯柴森

  就这样,Diamond Foundry的一块原石诞生了,它被放到我面前的会议桌上。“这些不是人造钻石,它们不像人造纤维那样是人造的,人造纤维与天然纤维属于两种不同的材料。”该公司CEO马丁·罗斯柴森(Martin Roscheisen)说,“它们是真钻,是培育出来的。”他戴着半透明的护目镜,时而皱起额头,同已故演员罗宾·威廉姆斯有几分相像。

  我接过他递来的放大镜,用一把镊子拨弄起原石。想想它在理论上的价值,我越发觉得它微不足道。我用透镜细看起来。终于,钻石的光芒——带点颗粒感,泛出一点黄光,逐渐进入视线焦点。我根本没有动心——在我眼里,它跟我女儿地质工具箱里那些石块没什么两样。然而,等它经过天然钻石加工师的切割和抛光,便释放出了钻石独有的璀璨光芒。此时,我已看不出它是人造的——其他人想必也看不出。

  罗斯柴森是在德国长大的奥地利人。九十年代,他在斯坦福大学学习计算机科学与工程学,同后来的谷歌创始人谢尔盖·布林(Sergey Brin)和拉里·佩奇(Larry Page)是同学。他是一名连环创业者,参与过一系列独角兽企业的创建,其中包括eGroups、TradingDynamis和FindLaw。后来,他又与人联手创立Nanosolar,面向市场推出经济适用型的超薄太阳能电池板(厚度仅为传统技术的十分之一左右)。

  在Nanosolar时,罗斯柴森雇佣了舒尔兹,此前,舒尔兹在波音公司从事无人驾驶直升机的研制。“有趣是有趣,但我想从事一项规模小一点、灵活一点的事业。”舒尔兹说。罗斯柴森打趣说,他们在Nanosolar时,发明了“舒尔兹工程学”一词,专指他捣鼓出大型复杂工具的能力。

  Nanosolar于2013年倒闭,罗斯柴森将其归咎于来自中国的低价竞争,以及成本高昂的可靠性测试。罗斯柴森和舒尔兹开始寻找新的项目。由于Nanosolar的很大一部分工作都涉及利用化学气相沉积来制造太阳能电池板,于是,他们很快意识到,太阳能领域的这项技术突破可以应用于钻石培育,改进原本笨拙的实验室工艺,实现速度和工业效率的提升。“这个产业存在巨大的缺口——我们可以利用在硅谷的所有人脉,为其引入合适的技术。”舒尔兹说。

  2013年,这家新组建的公司开始运营。在两年时间里,团队默默努力,不断调整参数,试图以全新的速度、质量与效率,在实验室内培育出钻石。他们希望将“实验室培育钻石”中的“实验室”一词去掉,将其变成工业产品。他们循序渐进,先从工业设备中使用的褐色钻石着手,这种钻石的制造难度相对较低。钻石培育出来后,他们所做的第一件事,就是带到珠宝店去检验。“他说质量不高。”舒尔兹回忆起当时的情景。但最重要的是,珠宝商说,这是一颗质量不高的钻石。

  2015年,Diamond Foundry开始进入公众的视线,吸引了Twitter前CEO埃文·威廉姆斯(Evan Williams)、里奥纳多·迪卡普里奥(Leonardo DiCaprio)等投资人。罗斯柴森说,到目前为止,该公司已筹集资金“近1亿美元”。“这是一项绝对绿色的生产工艺。”罗斯柴森说,“我们消耗的是两大温室气体,甲烷和二氧化碳,得到的是钻石,副产物是氧气和水。”

  在实验室培育钻石,这一点也不新鲜,但Diamond Foundry认为,技术的改进,加之人们对钻石开采中各种伦理道德的观念转变,为颠覆这个行业提供了机会。“我们是奢侈品零售领域增长最快的企业。”罗斯柴森宣称。他说,该公司的钻石出现在Barneys等高端商店和Spence Diamonds等零售商的货柜上,后者自称提供“既具有社会责任感、又璀璨惊艳”的手工宝石。

  现在的消费者能接受实验室培育出的钻戒作为他们的订婚戒指吗?也许吧。

  尽管实验室培育钻石只占每年总产值的不到1%,但变化已开始显现:2016年,美国最大的珠宝生产商Stuller也加入了国际培育钻石协会。然而对Diamond Foundry来说,真正的奖赏或许并不是永恒的爱情,而是摩尔定律——别忘了,这毕竟是硅谷。

  一直以来,人们都在尝试制造钻石,但与其说是为了装饰,不如说是出于工业需要。1955年,美国物理化学家H.特雷西·霍尔(H Tracy Hall)在供职于通用电气的超压计划时,使用一个斥巨资定制的大型压机,造出了第一批人造钻石。“我的手开始颤抖;心脏加速跳动。”霍尔写道,“几十颗微型……晶体在我眼前闪闪发光。”

  杜克大学电气、计算机工程与材料学系的杰夫·格拉斯(Jeff Glass)教授说,高压和高温“模拟了地底的环境。你要做的就是尽可能地挤压碳。”只要拥有合适的技术手段,外加一点运气,它就能重新结晶,成为钻石。不过,这不但费时费力,成本高昂,而且会留下一个烂摊子。

  1965年,凯斯西储大学的研究人员约翰·C.安格斯(John C Angus)开始用化学气相沉积法,制造钻石——后来,这种工艺得到苏联和日本实验室的改进。80年代,格拉斯加入了美国第一批研究人工钻石生产的大学项目之一。“其实是因为不甘落后。”他说,有关人造钻石的传言引来了美国政府的兴趣(以及资金)。“这是真的吗?我们不想被人甩到后头。”

  在稀缺性、市场营销和璀璨外观的驱使之下,钻石成为了人们梦寐以求的奢侈之物。但与此同时,它又是地球上用途最广的材料之一。“它的能耐令人惊叹,集各种截然不同的属性于一身。”格拉斯说,“这一种材料能顶几十种不同的材料。”钻石的硬度极大,做钻头再好不过,能做手术,也能切割马路。此外,碳的生物相容性使之能充当医疗植入物。

  钻石也可以做半导体元件。半导体晶片的制造过程,其实就是向一个化学气相沉积反应室内添加硅。钻石的耐热性远胜于硅——随着电子设备的性能日益强大,钻石就成了理想的材料。在一些实验中,钻石半导体的导电能力达到了硅的100万倍。

  “它的能耐令人惊叹……这一种材料能顶几十种不同的材料。”

  ——杜克大学教授杰夫·格拉斯

  正如Diamond Foundary首席科学官詹姆斯·巴特勒(James Butler)所言,“钻石的导热性是铜的五倍,同时却又是电绝缘体。”只要看看正在研发中的钻石的各种用途,作家尼尔·斯蒂芬森(Neal Stephensen)的先见之明就开始显现:在他1995年的著作《钻石时代》(The Diamond Age)中,钻石被大量制造出来,以至于后来,它变得比玻璃还要廉价。

  那么,化学气相沉积到底是怎样一种过程呢?要制造钻石,需要给气体通电,格拉斯称之为“气相的激发”。这样做的方法有很多。“化学气相沉积就好比是用微波炉、灯泡和焊枪为工具,制造出一颗钻石。”他说,他曾用乙炔焊枪制造过钻石。

  不过,这个过程绝不简单。格拉斯说,化学气相沉积就是“试图控制一个气相反应,使一切协调一致,从而在某个表面上形成固体”——此处的固体就是最原始的钻石“种子”(钻石培育出来后,它将被剥离并重新利用)。这个过程需要极高的能量密度,而且极不稳定。舒尔兹指出,这些电能若是管理不慎,就会侵蚀反应室内壁,或者破坏正在制造的钻石。罗斯柴森曾经问过这样一个问题:“没有闪电,怎能从云层中捕获电力?”舒尔兹偏偏就能跳过电闪雷鸣,直接捕获电能。

  如何给钻石估价?

  重量

  要计算一颗钻石的价值,就得考虑钻石的重量。

  清澈度

  在10倍放大镜下,观察钻石的内部瑕疵。

  色泽

  参照比色石,对色泽进行分级。

  切割

  对照一组标准,衡量钻石的切割角度及长度比例。

  高能激发会产生一场原子雨。这些原子会附着到已有的钻石种子的表面。就像“俄罗斯方块”游戏一样,落下的原子必须与已有的结构咬合。但凡化学构成和计算稍有偏差,或是速度快了一点,原子就会跑偏。有时,分子还会游荡开来,弄脏反应室。你得到的可能是一种多晶体结构(就好比堆得歪歪斜斜的俄罗斯方块)。

  “你甚至可能培育出石墨,或是其他形式的碳,比如球壳状碳分子。”格拉斯说。他还表示,哪怕是一星半点的杂质,也会“破坏最终结果的光学性质”。很多早期的实验室制品就含有天然钻石中不具备的元素,比如金属夹杂物。舒尔兹说,“这样的话,磁铁就可以吸走你的钻石。”

  实验室培育钻石的工艺和科学已经非常先进,“我们已经能够培育出比天然钻石更完美的钻石”,巴特勒说。对普通人,乃至普通珠宝商来说,这两种钻石的外形十分相似(Diamond Foundry的钻石都带有激光刻字,以区别于天然钻石。)它们的不同之处在于,天然钻石会带有开采地特有的微量杂质,而这些成分只有在先进的光谱仪下才会显现出来。

  巴特勒指出,天然钻石就如同雪花,每一颗都独一无二。这适合珠宝,但不适合电子设备。“比如,iPhone要采用某个钻石装置,你肯定想要几百万个同样的装置。要是靠开采,你去哪儿找100万颗一模一样的钻石呢?”

  80年代,巴特勒供职于美国海军的一个实验室,他很快就进入了“化学气相沉积”钻石行当,开始为Apollo等影响甚广的实验室培育钻石公司服务(Apollo后来破产)。他说,之所以加入Diamond Foundry是因为,他相信该公司即将“突破现有技术”。“当初要是没有那些融资、营销、品牌打造等等,这种技术本身是不会成功的。”换言之,他认为,这种颠覆性的钻石、硅的潜在代替者,还需要一点硅谷魔法的帮助。

  大卫·艾伦·威格韦瑟(David Alan Wegweiser)的工作室距纽约“钻石区”(译注:美国珠宝交易的聚集区)仅有几个街区。他的“大卫·艾伦珠宝”品牌专门提供珠宝定制服务。钻石在他的作品中举足轻重。他曾给人当学徒,清洁工作台和工具。在他自立门户之前,就开始为钻石交易商设计独一无二的商品。

  一天,一位客户拿着一颗非同寻常的宝石来找他。“10克拉的缅甸蓝宝石,不曾经过热处理,美轮美奂。他为此花了10万美元。我们给他打了一枚戒指。”威格韦瑟说。一个月后,“他又拿来一颗宝石,不比上回的差,这让我大吃一惊。”他想再做一枚同样的戒指。仔细查看后,威格韦瑟意识到,这颗蓝宝石是人造的。原来,这位客户“想戴着这一颗,而把真货放进保险箱。”

  “我们的工具可以在两周内培育出一颗钻石……但我们钻石中的原子跟宇宙一样古老。”

  ——Diamond Foundry公司CEO马丁·罗斯柴森

  这个故事揭示了宝石的一种奇特本质。虽然那位客户乐意在人前佩戴人造宝石——因为常人无法辨别人造与天然——但私底下,她依然愿意拥有天然蓝宝石,享受它带来的满足感。

  一直以来,钻石生产商都试图强调钻石的独特性(最近的一句宣传语是“真品皆稀有”)和它久远的地质年代。钻石行业分析师保罗·齐尼斯基(Paul Zimnisky)谈到,“多数天然钻石都形成于10亿年前——那是你能拥有的最古老的物品之一——而且,它又是非可再生资源;在你心目中,这是存在某种有形价值的。”

  对于这种说法,罗斯柴森并不陌生,他很快就反驳道:“我们的工具可以在两周内培育出一颗钻石。”人们通常的反应是:“这么快?”这时,他会解释说,钻石在地球内部形成时,也就需要这么点时间。

  “然后,它们就在地底下躺了10亿年。”他笑着说,“但我们钻石中的原子跟宇宙一样古老。”

  但这也引出了一个问题:如果卖点不在久远的地质年代,也不在举世无双的特性,那么,实验室培育钻石的卖点究竟在哪儿呢?低廉的价格吗?

  “除了超大号的钻石,我们对普通钻石的定价是非常有竞争力的。”罗斯柴森说,“一般比网上卖的那些便宜7%-10%。”

  罗斯柴森还表示,他们公司直接对客户销售,免去了中间商。他也指出,相比起天然钻石的开采,Diamond Foundry的产品更难实现规模化。他说,“我们的钻石比眼下任何天然钻石都要稀有。”

  齐尼斯基指出,天然钻石一直是一种“韦伯伦商品”(又称炫耀性消费品),有着奇特的供需关系。“市场对产品的需求需要特定的价格来维持。”他解释说,为此,你必须打造蒂芙尼(Tiffany & Co)或是海瑞·温斯顿(Harry Winston)那样的品牌。这正是Diamond Foundry努力在做的,它采用了两种方式,其一是强调其产品为真钻——化学、晶体学、本体论意义上的真钻——而不是简单地给方晶锆石等材料涂上高科技的光泽。

  其次是推广“钻石2.0”概念——天然钻石的美丽与璀璨,它都不缺,同时,又不必忧心环境污染、政治腐败或是劳动力剥削等问题。这就需要一群有些特别、乃至非同寻常的顾客:他们要足够关心社会价值,同时对于真钻的定义,要求还不能太高。

  在这一切的上方,还游荡着钻石半导体的幽灵,它的存在颠覆了钻石的价值问题。“在更高性能的电子应用中,大多数人手上戴的钻石都一无是处。”巴特勒说。我问罗斯柴森,随着生产效率的提高,钻石有没有变成大路货的希望——或者说是危险?

  他说,“如果一种材料能使iPhone提速1000倍,那我敢保证,这种材料用在手机上要比用作珠宝值当得多。”

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