揭秘现代“炼金术”：如何点二氧化碳成钻石？

点石成金，无数个睡前故事里令人垂涎的技能。那么点二氧化碳成钻石，你听说过吗？这可不是科幻情节。钻石的主要成分是碳元素，而二氧化碳分子中也含有碳原子，那么将空气中的二氧化碳转化为钻石理论是可行的。这样的想法在两位纽约珠宝商的脑中诞生。只不过，这个点化的过程，借助的不是魔法，而是现代化学。

要把看不见摸不着的空气变成璀璨的钻石，需要经历三场精妙的化学变身。

第一步：从空气中抓住看不见的碳

我们知道，空气里有78%的氮气，21%的氧气，还有大约的二氧化碳0.04%。就是这么一点点，我们要把它抓出来可不容易，这相当于在一万个分子里找出四个特定目标。更麻烦的是，它还混在一大堆干扰项里。

于是科学家想，既然二氧化碳是酸性气体，那么用碱性物质来吸附它是不是可以呢？这就是直接空气捕捉技术（DAC）的诞生。这项技术利用了胺基化合物对二氧化碳的特殊亲和力，就像是在人海中寻找老朋友：其他气体从眼前走过，它视而不见；只有二氧化碳一出现，碳原子和吸附剂上的氮原子立刻进行握手。

接下来，只需要给吸附剂它稍微加个温，那些握手就纷纷松开，纯净的二氧化碳就被释放出来了。而吸附剂呢则又恢复了空手状态，可以继续下一轮捕捉。

第二步：一场跨越百年的化学反应

既然捕获到了纯净的二氧化碳，如何把它变成更适合制造钻石的原料是新的问题。直接用二氧化碳可不行。钻石的生长需要活跃的碳原子，而二氧化碳里的碳被两个氧原子紧紧抱着，很稳定，不愿意参与反应。科学家们需要找到一种含碳化合物，它既容易分解释放碳原子，又能在特定条件下形成钻石结构。

答案是甲烷CH₄。

甲烷在高温下很容易分解，释放出碳原子，这些碳原子如果遇到合适的条件，可以一个一个沉积到钻石种子上，慢慢长成钻石晶体。这项技术后来被称为化学气相沉积。

那么问题来了：怎么把二氧化碳变成甲烷呢？科学家们找到的解决方案，是一个一百多年前就被发现的化学反应。

1897年，法国化学家保罗·萨巴蒂埃做了一个有趣的尝试：他把二氧化碳和氢气混合在一起，加入镍催化剂后，二氧化碳和氢气不见了，取而代之的是甲烷和水。

这个反应的化学方程式是：CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O。这个反应还会放热，像烧炭一样自己发热。萨巴蒂埃凭这个发现拿了1912年的诺贝尔化学奖。他当年肯定想不到，一百多年后，这会成为造钻石的关键步骤。

氢气从哪来？电解水就行。用太阳能或风能发的电，把水劈成氢气和氧气。这样整个流程就很清晰了：空气里的二氧化碳+雨水电解的氢气→甲烷。

接下来，就该这些空气甲烷登场了——在高温的等离子体火焰里，它们将变成钻石。

第三步：在等离子体的火焰中诞生

细心的读者可能注意到，前文提到了“钻石种子”。这其实就是一小片真正的钻石晶体，作为钻石生长的基底。新的钻石也需要一个起点，因为碳原子们不会凭空排列成完美的晶格，它们需要照着葫芦画瓢，沿着种子钻石原有的晶格结构，一层一层往上堆叠。

接下来，就到了最神奇的部分。

钻石种子被固定在舱底的支架上，再将高纯度的甲烷与大量的氢气混合，缓缓通入反应舱。在微波辐射等方式激发下下被电离成等离子体状态。等离子体的能量很高，是人造太阳也要依托的极端物质形态。等离子体中游离的碳原子飘落到钻石种子表面，与周围的碳原子形成强韧的共价键，构成完美的四面体。这种三维网状结构，正是钻石坚硬无比的原因。而等离子体中的氢原子通过优先刻蚀非金刚石沉积物，确保只有钻石结构能够生长。

从胺基捕手到萨巴蒂埃反应，再到CVD技术的等离子体控制，钻石不再只依赖地球漫长地孕育。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨科普中国科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者：蔡文垂 中国科学院大学博士研究生 中国光学学会会员

审核：孙明轩 上海工程技术大学教授、中国科普作家协会会员