文|柳絲園a

編輯|柳絲園a

科學是關于現有法則和原則的知識，而工程則是將這些科學知識應用于建造、設計和創造對人類有用的東西。這些工程所使用的工具、設備和過程統稱為技術。在很早的時候，大約在公元前4世紀，人們就在河床或礦井中發現了金剛石這種材料。

金剛石是已知最堅硬的石頭，經過巧妙的切割和打磨后，閃爍著美麗的光芒，幾個世紀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在制作珠寶方面被廣泛應用。制造珠寶時產生的鉆石粉塵顆粒或者那些在礦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世紀晚期高壓高溫金剛石技術的出現，金剛石在切削工具中的工業應用變得可能。由于鉆石的稀有開采性質，它們變得非常珍貴，一般收入水平的人難以負擔得起。

有一種新工藝叫做化學汽相淀積，讓制造高品質的鉆石成為可能，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量不佳，可能有瑕疵或夾雜物。

鉆石作為寶石除了美學價值之外，還有一些特殊的材料屬性，比如熱導率、光學透明性覆蓋廣泛的電磁頻譜、聲波速度、強度等。這些屬性使得金剛石可以被用在很多領域，如制造更快更小的電子產品、量子計算機、高功率激光器、核能技術，甚至是為醫療設備和水凈化等領域提供支持，從而提高我們的生活質量。這些工程應用充分利用了對鉆石材料屬性的科學了解，將其應用于創造出對人類有用的事物。

后來隨著現代科學的發展，科學家們發現金剛石是一種材料，在壓痕硬度值方面，可以達到非常高的水平，高達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115 GPa。然而，硬度值受多種因素的影響，例如內部缺陷，如位錯、雜質元素；晶體結構的單晶或多晶；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。

因為金剛石非常堅硬和強大，所以傳統上它被用作切削工具。在機械加工中，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加工的原石，到生產中間產品，再到最后拋光成品的步驟。金剛石工具在建筑行業廣泛使用，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、陶瓷和其他堅硬的材料。不同類型的金屬粘結或預合金化粉末與人造金剛石粉末混合，通過熱壓或燒結，用于制造磨料。研究人員已經發現，可以在傳統的鈷基硬質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，一次又一次地重復使用。金剛石涂層是防護的好辦法，特別是在涂層服務行業中。因為磨損是經濟損失的主要原因，而機械組件內的機械摩擦會耗費很多能量。金剛石摩擦學是工程領域的一個重要應用。

當電流通過電子電路時，會產生熱量，有時甚至可能導致器件損壞。隨著未來設備變得更小、更快，每單位面積上的電子電路將承載更多電流，這將導致設備加熱更嚴重。為了確保我們的設備高效運行，需要將這些熱量從電子電路中散發出來，而金剛石在這方面表現得最出色，因為它具有極高的導熱性。

以前的摩爾定律預測，每隔2年電子產品的尺寸會減少一半。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生的熱量傳遞出去，這有助于電流在設備內穩定流動，從而實現平穩運行。一些公司如Element Six已經商業化了使用CVD金剛石的散熱器。當我們比較不同的冷卻材料時，發現在電氣工程中，金剛石比常用的銅更加高效。

聚晶金剛石與Cu/Ag/Ti等金屬粉末進行合金化和混合，然后通過燒結將它們結合在一起，制造出用于電子封裝應用的復合材料。因此，工程師們正在設計未來的技術，例如5G通信、用于太空或軍事領域的雷達等，他們將鉆石集成到電子電路中。

在能源和動力工程中，我們知道從高中物理課程中，導帶和價帶之間的能級差異會將材料分為不同的類型：a.絕緣體 - 能級差異很大，b.半導體 - 能級差異較小，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境，特別在高頻能源工程方面。

隨著時間的推移，為了跟上摩爾定律的發展，我們已經開始面臨能源短缺的問題。為了應對這一問題，金剛石等寬能帶材料被用于高功率密度的應用中，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異的熱膨脹系數。

然而需要注意的是，金剛石在室溫下基本上是絕緣體，只有在經過適當的摻雜后才能變成半導體。例如，通過硼的摻雜，可以使金剛石具有室溫下合適的電導率，從而產生與金屬相似的導電性。然而通過磷的摻雜，金剛石會形成n型材料，但它具有深能級，只有在高溫下才會變得活躍。而氮雖然無法直接用于制造n型導電性的金剛石，卻能夠產生NV中心缺陷，這在光電工程或量子計算機工程中具有應用前景。

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，我們需要一個接一個地嘗試不同的路徑，這可能會花費很多時間。經典計算機會通過嘗試和錯誤來確定由0和1組成的二進制代碼中的一個解決方案。但是量子力學告訴我們，在量子領域中，粒子可以同時存在于多個位置。這意味著，如果我們用量子位代替經典位，去解迷宮謎題，量子位由于其特殊的糾纏和疊加性質，有可能更快地找到正確的路徑。

換句話說，如果我們要求一個量子位去尋找迷宮的出路，由于它的量子屬性，它將同時嘗試迷宮內的所有路徑，然后在一瞬間找到正確的解！與傳統計算相比，基于量子比特的量子計算有很多優勢。它能夠在更短的時間內處理更多的數據。在當今人工智能和機器學習領域，由于數據量的增加，傳統計算機的能力已經達到極限。

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

當涉及到化學工程時，我們可以說，摻有硼的金剛石電極被廣泛應用在很多電化學領域，例如傳感器、環境監測、電合成以及電催化等領域，這些都與能源和設備有關。此外金剛石還在一種叫做化學機械拋光的過程中被使用。金剛石拋光不僅僅是通過機械方式磨削硬表面，還利用了化學反應的綜合效果來實現拋光。

當涉及聲波和聲學工程時，我們可以說，IDT金屬線被精細地安裝在SAW器件上，類似于圖案一樣51漫畫。通過將聲速除以IDT內部的間隔頻率，我們可以用來制作汽車工業內燃機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，因為金剛石具有非常高的聲速。實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用在不同的聲波領域，比如高音穹頂等。

在光電子工程領域，有一個很有趣的事情。金剛石晶格中存在一些特殊的缺陷，稱為氮空位中心，它們在常溫下具有量子自旋狀態，這意味著它們可以與外部磁場互相影響。當外部磁場越強，它們之間的作用也就越顯著。為了研究它們，科學家用電子順磁共振譜技術，就像找到某個頻率的收音機臺時一樣。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射強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計，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透鏡因為其獨特的性能，在寬范圍的光譜中都有應用。它們可以用作人工晶狀體，用于調節可見光的折射，甚至可以用在X射線儀器上，用來調整X射線的傳播方向。總之金剛石在光電子工程中有著廣泛的應用前景。

在生物工程學領域，金剛石的應用也非常有趣。我們知道，人工視網膜是一項非常重要的技術，可以幫助人們恢復視力。以前科學家們嘗試用硅芯片做基礎，但為了保護它，他們用超納米晶金剛石進行了包裹，就像用保護膜保護手機屏幕一樣。現在，金剛石電極甚至被嘗試用于植入到假的視網膜中，通過電刺激來幫助恢復視力。

金剛石還有其他在生物工程中的用途。科學家們可以在金剛石表面做不同的化學處理，讓它具備特定的功能，例如用于生物標記、生物芯片以及利用電化學反應。還有一種方法叫做微波等離子體化學氣相沉積，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，幫助醫生調整放射治療的劑量，確保治療效果。金剛石在生物工程學中有著許多應用，從視網膜恢復到生物標記，甚至在癌癥治療中發揮著重要作用。

金剛石是一種特殊的材料，它有非常好的機械性能，能夠承受很大的力量，同時還有很高的熱導率，就像導熱很快。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的好材料，特別是在聚變反應堆里當做能量傳輸窗口。

還有一些特殊的情況，比如設計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，可以把放射性物質發出的高能電子轉化成電流，用來供電。這些只是一些例子，展示了金剛石在各種工程應用中的潛力和前景，未來可能會有更多的技術和應用涌現出來。