互动科普

这些谜一般的、微小的晶体在工业与钻石形成研究上大有前途可挖。

金刚石作为一种珍贵的矿物已有3000年之久的历史。在古印度，这种宝石被认为具有神所赋予的神奇力量。中世纪的欧洲贵族们在出征时经常佩带钻戒，认为这种珍宝能给他们带来勇气，并使他们无所畏惧。

时间更近一点，金刚石被证实为多种工业用途的理想材料。这种其成份难以想象地纯净(含碳量超过99%)的矿物是迄今为止发现的最硬的物质。它几乎能划破任何东西，这就使它适于用作研磨料以及切割，磨削与抛光工具。金刚石还具有很强的热传导能力(比铜的传导能力的三倍还强)，因此它是用于电子设备(如半导体激光器)中散热材料最理想的选择。由于这些应用中的大部分均可用细小的晶体来加以完成，所以科学与技术兴趣开始集中到微金刚石上了，微金刚石就是指在任何方向其尺度均小于半毫米者。

以前微金刚石主要因为其极小的尺寸以及开采这些细小微粒所需的复杂昂贵的方法而被忽略了。但随着开采提取技术的提高与工业需求的增加，微金刚石正日益成为一种引人注目的矿产资源。

神秘的起源

在数十年的研究之后，科学家们现在确信工业尺寸的矿石(即宏金刚石)形成于地幔，并由火山带到了地表。然而微金刚石的来源则仍然是一个谜。它们可能是在被带到地表之前没有多少时间生长的较年青的晶体，也可能是在一个碳量有限，从而阻碍其生长的环境中形成的。但另一些研究者则认为微金刚石是通过另一个虽相关，但却又截然不同的过程形成的。

微金刚石偶然会在大晶体不在的情况下单独存在。不过这些大晶体经常与微金刚石一道出现。奇怪的是，微金刚石甚至与经历过熔蚀过程的大晶体出现在同一矿床中，所谓熔蚀过程就是指——包括经常最终可导致矿物边角圆滑、减小金刚石尺寸等过程的广义概念，如溶解与侵蚀。由于对微型样品而言，其表面面积与体积的比率远远大于大型样品，科学家们本以为减小宏金刚石尺寸的熔蚀过程已经消磨掉了小型样品。

这种自相矛盾的迹象暗示着微金刚石可能有着与其他大块金刚石泾渭分明的不同来源。一种假设宣称，一些微金刚石是在具有限制碳晶体生长尺寸的独特的形成条件与过程的上升岩浆中形成的。而另一种替代理论则认为岩浆仅仅是一种传递途径，微金刚石与其他大块金刚石一样，都是地幔的产物。

研究者们已发现他们认为是由于大陆块互相碰撞而产生并存在于地壳中的微金刚石，这就使问题更加复杂了。而且在陨石中也发现了细小金刚石的存在。

随着工作的进一步深入开展，科学家总有一天会解开微金刚石与较大金刚石之间的关系这一难题。这种知识将使我们更好地了解碳物质，最终达到以更为有效的技术经济开采以及人工制造金刚石的目的。

各种各样的形状

矿物学家认为金刚石可通过在其表面添加原子使其体积增大，其生长的速度将会影响晶体的形状。如温度、压力以及氧气含量有利，那么生长速度与最终晶体形式将决定于可用的碳量。

微金刚石以八面体、十二面体、立方体、双晶体(双层的平坦三角块状物)以及不规则块状物的单晶体形式出现。除此之外，八面体与立方体晶面有时能在同一晶体中同时生成，最终形成立方八面体形式。两颗或更多的微金刚石经常会在形成过程中熔合在一起，从而导致不同寻常而且经常是惊人的构造，例如八面体、十二面体、立方体的聚集物以及无定型的簇状物。

八面体(左图)是最为常见的生长形式。事实上在大多数微金刚石群体中，它们通常占了所观察到的晶体形状的一半以上。

立方体(中图)是较次之常被发现的形状，它很少有结晶状或有序原子构造。在许多立方体微金刚石中存在纤维状的结构，其径向生长与立方体品面垂直。这种独特的生长形式正如结构表面所表明的，是在碳源中导致极度快速结晶的过饱和现象所造成的。

聚集物(右图)也暗示周围环境中碳的高含量，晶体生长在几个相邻点上同时进行。在这样的相邻区域。晶体可能合并形成一种复杂共生单体。

改变晶面

熔蚀过程通常改变微金刚石的形状，比如说熔蚀过程使平坦晶面变为弯曲或圆滑的表面。特别地，微金刚石并不能生长成十二面体，这十二面形状的晶体实际上是八面体熔蚀的产物。锐利的八面体是微金刚石形状范围的一个极端，而圆滑的十二面体则是其另一极端，微金刚石呈现出位于这两个极端之间的完整层次。由于十二面体几乎总是在微金刚石群体中得以发现，所以熔蚀被认为是极其平常的。

有时腐蚀会形成具有独特结构的晶面，比如与阶梯相似的结构，尤其是在转角与边缘上，蚀刻可能会足够的严重，以致于足以改变晶体的整体形状。

观察显微世界

本文介绍的微金刚石图像是由显微绘图人员David Scharf用扫描电子显微镜(SEM)记录下来的。SEM通过用电子而不是光线来照射物体进行工作。磁透镜使一个电子束聚集，此电子束以光栅形式(与应用于电视荧屏的相同)扫描样品。当电子束射到样品时，它从物体表面上打出其它电子(次级电子)。这些带负电的粒子然后被吸引到探测器的相正极上，在那里被放大进而转化为视频信号。

在图像上看来，微金刚石是不透明的，这是因为晶体对电子而言是不能透射的。其颜色来自于Scharf所发明的“多探测器颜色合成系统”(美国专利号为5212383)，该系统使用3个电子探测器而不是通常的一个，并把它们分布开来以便获得三个独特的照明角度，不同的任意颜色被分配给各个探测器，从而产生了所看到的不同颜色。