親愛的，我把鑽石變大了！──毛河光點碳成鑽

7月上旬，毛河光風塵僕僕地由美國返台參加中研院第27屆院士會議，會中他以「透過鑽石窗，看物理、化學、生物、地學及材料科學的新世界」為題，發表演說。

毛河光著迷於透過鑽石發現的新世界；然而，國人更矚目的，卻是他「把鑽石越變越大」的神奇魔法，以及他所預言的鑽石世代。

「鑽石比矽更小、更快、更省電、更耐熱，遲早會取代目前半導體中大量使用的矽，成為明日閃亮的新星，」在院士會議上，一身唐衫的毛河光自信滿滿地說：「不久的將來，矽谷會變成鑽石谷！」

毛河光，中央研究院第20屆院士，現任美國卡內基研究院地球物理實驗室高壓研究組的負責人。1963年他從台大地質系畢業、1968年取得美國羅徹斯特大學博士學位，隨即進入卡內基研究院從事高壓物理研究。

2005年，毛河光以「物質在超高壓力下的性質變化研究」獲得全球學界最高的榮譽獎項之一──義大利巴仁獎；此外他在礦物科學方面的成就，也先後獲得了「瑞典皇家科學院愛明諾夫獎」、「美國礦物學會羅勃林獎」的肯定。

毛河光在高壓物理領域中是公認的世界權威，這次因鑽石而聲名大噪卻屬意外。

7月中旬返台參加中研院院士會議的毛河光，意外掀起一股人造鑽石的討論旋風。

不只是寶石

「鑽石恆久遠，一顆永流傳」，在一般人眼裡尊貴、價值非凡、象徵愛情歷久彌堅的鑽石，在高壓物理學者毛河光的眼中，卻只是「碳的高壓相」。

並非科學家不解風情，也不是毛河光不懂行情。事實上，鑽石的用途極廣，其中最不具「價值」的就屬珠寶的裝飾用途。

「鑽石作為寶石，其實是『大材小用』了，」對毛河光來說，鑽石不只是寶石，更是完美的材料。「鑽石具備許多不可多得的優質特性，是其他材料無法取代的。」

舉例來說，鑽石具有半導體性質（某些條件下會導電，某些情況下又會絕緣），做成晶片會比矽更佳，因為矽在超過攝氏140度以上的溫度中就不能運作，而鑽石可以耐熱到上千度；鑽石是導熱、散熱俱佳的材質，很多電子用品發展到極限時都會碰到無法散熱的技術瓶頸，若改用鑽石散熱片，則可以大幅提昇運轉功率。鑽石也是自然界最硬的材料（硬度10），可以作為各種堅硬材料的磨具、車床，以及車刀、水刀上的噴頭（水刀是利用水柱通過小孔的強大壓力來切割物品，必須使用能耐高壓的鑽石噴頭）；即使被磨成只剩一個分子或原子，也依然保持銳利堅硬，可以做成最頂級、精細的手術刀。

此外，鑽石對化學藥品的抗拒性很強，沒有東西可以腐蝕它；它的摩擦係數小（不沾鍋），替代不袗用來接骨，一來不會磨損，二來也不會造成身體的排斥。

鑽石的好處述說不盡，但因稀少又太過昂貴，一直以來無法被大量使用。

鑽石恆久遠？

對毛河光來說，鑽石則是他從事高壓研究的工具，而人造鑽石其實是這項研究的副產品。

毛河光利用鑽石做「高壓砧」，以等同於地心的超高壓力（360萬大氣壓）加諸其上，藉此來觀察高壓世界裡的各種物質變化。「像硼、碳、氧、硫、碘等元素，在高壓下都會變成金屬，而且變成超導體，」毛河光說，物質的物理及化學特性會因壓力而全盤翻轉，這是一種新的科學現象。

「鑽石對我來說不是FOREVER，」為了在微小的面積上做超高壓研究，毛河光已經用破了幾千個鑽石做的壓砧。因為實驗室只買得起每顆1/3克拉、1000美元的鑽石，而3克拉就要10萬美元，理想中的30克拉、幾百克拉大型鑽石壓砧更是不可能，「有錢也買不到，」，於是毛河光興起了「何不自己做鑽石？」的念頭。

CVD鑽石生長立體圖。在12小時內，鑽石以每小時100微米的速度成長。

科學從頭開始

「高壓研究在20世紀以前是空白的，」毛河光說，壓力、溫度、元素成分，被稱為物質科學的三維空間，能控制、改變物質的性質。過去的研究著重在溫度變化與化學成分對物質的影響，唯獨「壓力」這個變項一直以來都被忽視，原因是過去的實驗技術創造不出高壓環境，也無法觀察、確定物質在高壓下會發生什麼變化。

高壓研究直到20世紀才啟蒙，近三十年才達到夠高的壓力，近十年才具備完善的探測手段，因此可以說是21世紀的新科學。

「加入壓力這個變項後，科學等於從頭開始！」毛河光如是說。

以水為例，水因溫度的不同，有液態、氣態、固態3種不同型態，但如果加上壓力，會產生相乘效果，變成至少20種型態，例如現在很時髦的「電漿」就是其中一種。

再以眾所周知的石墨（碳）為例，石墨在高壓下會變成鑽石，但石墨和鑽石具有完全不同的特性：石墨軟、鑽石硬；石墨黑、鑽石晶瑩剔透；石墨導電、鑽石絕緣。

在高壓下，毛河光還發現除了水銀以外第二個液態金屬──鈉，鈉在高壓下的融點下降到室溫，成為液態。

基礎高壓研究中的各項發現，如果有辦法帶回常壓環境內持續下去，就能造就許多非常有價質的材料。能源就是其中一個例子。

由於全球的石油和天然氣估計在50年內即將耗盡，尋找替代能源已是當務之急。其中，用氫來做燃料是一個研究方向。

氫（Ｈ）是宇宙中最多的元素，而水（H2O）是宇宙中最多的化合物，只要分解水即可獲得氫，可以說是取之不盡。問題是如何將氫製成燃料，像目前汽油般注入汽車的技術面，一直不能解決。

雖然以氫為燃料的汽車早已研發出來，但液態氫會蒸發，而氣態氫儲存起來體積龐大，宛如氣體炸彈，危險性高。根據毛河光的研究，在高壓下將氫與水合成氫水化合物，水會變成一個籠子，把氫包在裡面，變成像冰塊一樣。將這個氫水化合物解除高壓、重新帶回常壓常溫中，氫就可以釋放出來，並且可燃，俗稱「可燃冰」。

毛河光的高壓研究，找到安全、有效率地儲存並釋放氫的新途徑，這項技術已經獲得美國專利，但離商品化還有一大段距離。

毛河光實驗室做出來的人造鑽石，接近無色透明。

假的真不了？

再回到鑽石，天然鑽石是碳元素在地底超高壓、高溫（360萬大氣壓、攝氏6000度）下、歷經十幾億年的時間，慢慢形成的。高壓、高溫再加上歷時久遠，鑽石一直被視為是「只有上帝才能創造的寶物」。而今，毛河光打破了鑽石的神蹟，揭櫫「牛糞也可以做鑽石」的事實。

去年5月，毛河光的研究團隊參加日本第10屆「國際新鑽石科技會議」，發表了一顆實驗室製造的10克拉CVD（化學氣相沈積法）人造鑽石，震驚國際。

有新聞週刊報導，CVD人造鑽石的問世，將使全世界年營業額六百億美元的傳統天然鑽石市場，面臨崩盤的危機。

毛河光實驗室做出來的人造鑽石，質地與天然鑽石無異，經過雕琢切割，也可以散發晶瑩耀眼、亮透無暇的色澤，就連鑽石鑑定專家都難以分辨，而價格卻只有天然鑽石的十分之一。

毛河光指出，人造鑽石其實不是什麼奇蹟，原理十分簡單，只要將沼氣（主要的成分為甲烷，牛糞中的細菌也可以製造甲烷）加熱到高溫，再想辦法讓碳沈澱下來即可。由於原料不用錢，只是耗費電力，因此有人稱此種人工鑽石為「沼氣鑽石」或「垃圾鑽石」。但這種人造鑽石體積小、品質也不佳，再加上曠日廢時，一克拉要長幾個月，製造起來不合成本效益。

此外，利用高溫高壓法加熱天然氣和氫氣，也可以做到4克拉大的鑽石。這種方法的缺點是要用很大的加壓機，生長慢且有雜質，成本也過於昂貴。

1981年，蘇聯和中國大陸發展出高溫低壓的「化學氣相沈積法」，用微波爐加熱來做人造CVD鑽石。

1990年初，各國研究團隊，包括台灣的工研院和各大學都投入類似的研究，但到了2000年仍無突破，大家紛紛放棄。原因是，CVD過程中很難控制鑽石單晶（指分子排列序列相同）成長，而且3個月才長出半克拉，耗費電力，根本不實用。

毛河光的研究團隊卻鍥而不捨。5年前毛河光指導的研究生顏志學加入團隊，致力於摸索如何讓鑽石長得更快、更大，而且是一顆不能有裂痕的單晶（若是「聚晶」，上面會有分子間交織接合的痕跡，一旦有裂痕，高壓下鑽石容易碎裂）。「這是一個很大的冒險，需要有勇氣和毅力，」毛河光說。

以0.45毫米高的母石為基礎，在一天中長成這顆高2.45毫米、重0.28克拉的鑽石。

牛糞變鑽石

皇天不負苦心人，毛河光團隊研發的「單晶外延法」，又稱為「微波漿氣體堆積法」：先選定一顆母石（鑽石）做為基底，同樣使用微波爐加熱原理，讓甲烷（CH4）分解，去掉氫，甲烷中與鑽石一樣的碳分子有了母石做「榜樣」，也會學著整齊排列，並依附、累積到母石上。用這種方式讓鑽石長大，不僅速度比其他方式快了100倍到300倍，成本又低廉，而且體積大、硬度高、單晶無暇。一克拉大小的價格只有天然鑽石的十分之一，而且體積越大，價格差距越大。

CVD人造鑽石雖然還在實驗中，尚未達到非常穩定的境界，但毛河光相當有信心。他表示，未來一、二年內就可以由製造10克拉鑽石進步到100克拉，距離他的目標──製成完美高壓砧、可以承受超高壓力的1000克拉鑽石，也只是時間問題而已。

除了不斷研發讓鑽石繼續長好、長大外，如何與天然鑽石區隔，以免真的「害」全球鑽石市場土崩瓦解，也是毛河光念茲在茲的重點。

「專家難以鑑定不是好事，」毛河光說，破壞市場對誰都沒有好處。雖然人造鑽石可以做到與天然鑽石質量相同，但無論如何，天然與人工形成的方法、所經歷的時間都不相同，必然有細節上的不同，必須發展出有公信力的辨識方法，才不會有混亂市場、欺騙的嫌疑。

自然界中萬物平等，而鑽石──碳的高壓相──說穿了，並沒有特別尊貴。毛河光顛覆了人們對鑽石的遐想，目的不在打破鑽石的價格，而是為它創造更多、更能造福人類的價值。

鑽石向來是尊貴的象徵，但會不會在新科技衝擊下黯然失色？圖為美國Harry Winston珠寶公司推出的新鑽石婚戒發表會。