碳

克里斯•史密斯

大家好，这周我们来看看把婚礼、战争、冲突和火葬联系在一起的元素，凯瑟琳·霍尔特来解释一下。

凯瑟琳·霍尔特

任何一个化学家都能谈论碳好几天。毕竟，对于我们碳基生命形式来说，它是一种日常的、普通的、几乎无处不在的元素。化学的一个完整分支是专门研究化学反应的。

在它的基本形式中，它在其同素异形体的对比和迷人的形式中抛出了一些惊喜。似乎每隔几年就会有一种新的碳形式成为时尚——几年前碳纳米管是新的黑色(或者我应该说“新的布克球”)——但石墨烯是现在的样子!

但今天我要讲的是碳的最迷人的形式——钻石。几千年来，钻石一直与财富和财富联系在一起，因为它可以被切割成高净度、光泽和持久的宝石。钻石真的是恒久远!不幸的是，钻石也有黑暗的一面——钻石引发的贪婪导致了所谓的“冲突钻石”贸易，支持和资助内战。

人类对钻石的渴望促使炼金术士和化学家在许多世纪里尝试合成这种材料。经过许多欺骗性的早期声称，钻石最终在20世纪50年代人工合成。科学家们从自然界中获得灵感，他们注意到钻石在地壳深处自然形成的条件。因此，他们使用高温(超过3000°C)和高压(>130 atm)将石墨变成碳。这是一个令人印象深刻的壮举，但所需的极端条件使其作为一个商业过程过于昂贵。从那时起，该工艺得到了改进，金属催化剂的使用意味着需要更低的温度和压力。几微米直径的晶体可以在几分钟内形成，但2克拉的宝石级晶体可能需要几周的时间。

这些技术意味着现在可以人工合成宝石级的钻石，如果没有专业设备的帮助，就无法将其与天然钻石区分开来。不用说，这可能会给天然钻石贸易公司带来麻烦!任何碳基材料都有可能变成钻石——包括头发，甚至是火化的遗体!是的，如果你愿意，你可以把你的宠物变成钻石，永远珍藏!人造钻石在化学和物理上与天然钻石相同，没有道德包袱。然而，心理上他们仍然是一个障碍——如果他真的爱你，他会买下你真正的钻石——不是吗?

从化学家、材料科学家或工程师的角度来看，在描述钻石惊人的物理、电子和化学特性时，我们很快就用完了最高级的词。它是人类已知的最坚硬的材料，或多或少是惰性的，能够承受最强烈和最具腐蚀性的酸。它具有最高的热导率的任何材料，所以是优秀的散热。这就是为什么钻石摸起来总是冰凉的。它具有宽的带隙，是教科书上绝缘材料的例子，由于同样的原因，它在任何固体材料的最宽波长范围内具有惊人的透明度和光学性能。

这样你就明白为什么科学家们对钻石如此感兴趣了。它的硬度和惰性性质建议作为防护涂层，防止磨损，化学腐蚀和辐射损伤。它的高导热性和电绝缘性在大功率电子产品中急需应用。其光学性能是玻璃和透镜的理想材料，其生物相容性可用于植入物涂层。

这些特性几个世纪前就为人所知了，那么为什么钻石的使用还没有更广泛呢?原因是天然钻石和高压高温合成形成的钻石尺寸有限——通常最多只有几毫米，只能沿着特定的晶面切割成型。这就阻止了在大多数建议的应用中使用金刚石。

然而，大约20年前，科学家们发现了一种合成钻石的新方法，这次是在地下低高压、高温条件下，采用化学气相沉积。如果考虑碳的热力学稳定性，我们会发现在室温和常压下，碳的最稳定形式实际上是石墨，而不是金刚石。严格地说，从纯能量或热力学的角度来看，金刚石应该在环境条件下自发地转变为石墨!很明显，这并没有发生，这是因为打破钻石中的强键并重新排列它们以形成石墨所需的能量需要大量的能量输入，因此整个过程非常缓慢，以至于在数千年的规模上，反应不会发生。

化学气相沉积正是利用了金刚石的这种亚稳态。99%的气体混合物氢用1%的甲烷和一些激活源比如热灯丝来产生高活性的氢和甲基自由基。然后碳基分子沉积在表面形成金刚石涂层或薄膜。实际上，石墨和金刚石都是最初形成的，但在这些高度反应的条件下，石墨沉积物从表面被蚀刻掉，只留下金刚石。薄膜是多晶的，由微米大小的晶体组成，因此缺乏宝石钻石的清晰度和光泽。虽然它们可能不那么漂亮，但这些金刚石薄膜可以沉积在不同大小和形状的表面上，因此极大地增加了金刚石的潜在应用。挑战仍然存在于理解晶体间边界的复杂化学和薄膜的表面化学，并学习如何最好地利用它们。这种材料将使化学家、材料科学家、物理学家和工程师在未来许多年里忙碌不已。然而，目前我们都可以同意，钻石不仅仅是一张漂亮的脸!

克里斯•史密斯

凯瑟琳·霍尔特称赞碳王冠上的宝石的优点。下周，我们将前往第一组的顶部，了解这种金属的故事，它彻底改变了躁狂抑郁症的治疗方法。

马特·威尔金森

1949年，维多利亚州精神卫生部门的澳大利亚医生约翰·凯德(John Cade)首次注意到它对大脑的镇静作用。他给豚鼠注射了0.5%的溶液锂碳酸盐，令他惊讶的是，这些通常高度紧张的动物变得温顺了。然后，凯德给他最精神不正常的病人注射了同样的溶液。这名男子的反应非常好，几天后他就被转移到一个普通的病房，很快就回到了工作岗位。

克里斯•史密斯

尽管医学进步了50年我们仍然不知道它是如何起作用的，但它至今仍在使用。这是马特·威尔金森为您带来的故事锂在下周元素中的化学我非常希望你能加入我们。我是克里斯·史密斯，谢谢收听，再见。