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Teaching Chemistry Through The Jigsaw Strategy
Example 5 Topic Diamond Subtopics 1. Making diamonds from
graphite 2. Making diamonds from methane 3. Applications of
synthetic diamonds 4. Nanodiamonds Level Secondary 6-7 Curriculum
Links Structures and properties Properties of giant covalent
substances Semiconductors Nanomaterials Medium of instruction
Chinese Copyright © 2007 by Quality Education Fund, Hong Kong All
rights reserved. Prepared by Professor Derek Cheung, The Department
of Curriculum and Instruction, The Chinese University of Hong Kong.
No part of this document may be reproduced in any manner whatsoever
without written permission, except in the case of use as
instructional material in a school by a teacher.
1
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1. 可以將鉛筆芯變成鑽石嗎？
金剛石(俗稱鑽石)在香港各大珠寶公司都可以買到，但你見過未經琢磨的金剛石嗎？天然的金剛石在地殼下以極
高溫度和壓力下產生，再由火山活動帶到地層表面。
經過琢磨的金剛石稱為鑽石，純淨的鑽石無色透明，是一
種極受歡迎的珠寶，不少人更認為鑽石代表了永恆。珠寶
商人習慣用卡(carat)計算鑽石的重量，1 卡等同 0.2 gram
(g)，至今世界上經過琢磨的最大鑽石是 530.2 卡(106.04 g)
的「非洲之星」。其實，鑽石在工業上有許多用途，例如
製造保護層、研磨粉、電子零件等。人類對鑽石的需要供
不應求，因此人工鑽石(synthetic diamond)的出現為工業界
和珠寶界帶來了曙光。 圖一 天然的金剛石(照片獲得 Diamond Fields International Ltd
准許複印)
鑽石的結構 鑽石擁有巨型共價結構(giant covalent
structure)。在晶體內，所有碳原子都以共價單鍵(single
covalent bond)相互結合，每個碳原子與另外四個碳原子連結成一個四面體(tetrahedron)，C—C—C
夾角為 109°28’，形成一個三維的共價鍵網狀結構。由於鍵能大(347.7
kJ/mol)，巨型共價結構使鑽石具高硬度及高熔點(3,900 °C)。
墨的結構 墨(graphite)與鑽石一樣，都是由碳原子所組成。但石墨是價格低廉、柔軟、黑色的固體，可被
成日常用的鉛筆之筆芯。鉛筆廠商首先將石墨粉末與黏土混合，然後壓成條狀，並烘乾至適
想的鉛筆芯，因為它易於在纸上畫出深色的印跡。
聯接成一個平面，
鍵角為 120°，鍵能是 460 kJ/mol，所以石墨有高熔點。不過，兩層之間只有微弱的范德
微弱的范德華力
圖二 鑽石的結構 圖三 石墨的結構 石
石
製
當的硬度。石墨是理
石墨有巨型共價結構，但碳原子互相結合成一個層狀結構(layer structure)，同一層的碳原子之間
有強力的共價鍵，六個碳原子組成一個六角形平面環，許多這樣的六角環互相
C—C—C
華力(van der Waals’ force)，鍵能是 4.2 kJ/mol，因此石墨晶體層間的結合並不堅固，易滑移。
2
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此外，石墨具有良好的導電性。由於每個碳原子只形成三個共價鍵，每個碳原子還剩餘一個未
與結合的價電子(valence electron)，令每個六角環內有六個價電子，它們可以在碳原子間流動，
筆的石墨筆芯可變成鑽石嗎？理論上是可以的，石墨正是合成人造鑽石的主要材料，但要用
密度是 3.52 g/cm3，而石墨的密度是 2.25 g/cm
3，即在密度上鑽石是石墨的
科學家首次將合成人造鑽石的詳細資料發表，這是一個大突破，因為早期在這方面的
驗缺乏應有的重複性。他們採用「高溫高壓法」，目的是模仿於地心的高溫與高壓，將石墨的
讓碳原子組成一個高密度的巨型共價結構：
了高壓之外，必須提供高溫，以加快石墨轉為鑽石的速度； 術未成熟，
法使非鑽石結構的碳轉變為常壓下存在的鑽石。理論上，所
含有碳成份的物質，如石墨、煤、糖等，都可以用來製造人工鑽石，不過生成的難易程度並
著名的鑽石製造公司，它採用「高溫高壓法」生
長寶石級的大顆鑽石。首先，將一小塊天然或人造的鑽石作為種子放進一個像洗衣機大小的反
參
如同金屬中的自由電子，在化學實驗可找到石墨造的電極(electrode)。鑽石和石墨是由同樣的碳
原子組成，但由於碳原子的空間排列不同，它們有不同的特性及用途。石墨不僅具備良好的導
電性，又具有良好潤滑性。
石墨變鑽石的原理 鉛
什麼方法呢？鑽石的
1.5 倍。所以科學家認為在大壓力的環境之下石墨可能會變成鑽石，因為在高壓下物質的體積會
變少。
1955 年，
實
碳原子的排位重組，變成鑽石的碳原子排序。1962 年，中國用石墨為碳源，成功合成第一顆人
造鑽石。科學家對石墨轉變成鑽石有兩種不同的看法。一種相信在高溫高壓下石墨的碳原子無
需斷鍵，碳原子排列只需側向移動，就可以變成鑽石的三維共價鍵網狀結構。第二種看法認為，
石墨在高溫高壓下熔化或局部熔化，石墨晶體解體，碳原子間斷鍵。不過，科學家製造人工鑽
石遇上了四個主要的困難：
需要極高的壓力才能造出鑽石，除
用高溫高壓法合成的鑽石粒度較細，很難製成一顆大鑽石。早期高溫高壓法的技只能生產 1-2 mm
的細鑽石，但在工業方面已有很多用途；
不能生產鑽石薄膜(films)。
人造鑽石，實質上就是用人工的方
有
不相同。曾有報道，花生(peanuts)可以於 2,000 °C 和每平方吋二百萬磅壓力的情況下用五分鐘便
可以有 60%花生變成鑽石。
Gemesis(http://www.gemesis.com/education.aspx)是
應爐內，然後加進液態石墨和金屬性質的催化劑，再加以高溫 1,500 °C 及 58,000 個大氣壓。於
三日半內，一顆接近 2.8 卡黃色粗糙的人工鑽石便會由天然鑽石種子上培植出來。這顆粗糙的鑽
石經過琢磨可得出一顆 1.5 卡的鑽石，比天然鑽石便宜 4 至 5 倍。如同天然的鑽石，人工鑽石的
黃色是由於在 10,000 個碳原子中，有少於 5 個被氮(nitrogen)原子取代了；而加入硼(boron)原子的
話，鑽石便會變成藍色。
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可以將鉛筆芯變成鑽石嗎？ 工作紙
1. 科學家如何將石墨轉變成鑽石?
為何合成鑽石的知識與技術涉及科學和工程學兩大領域﹖
2.
. 試用「點叉圖」表示一個碳原子與四個碳原子在鑽石晶體內連結的情況。 3
4. 鑽石是由碳原子組成。試設計一個化學實驗來證明這一點。
. 鑽石和石墨的碳鍵和結構有什麼不同?
5
6. 為什麼大多數的人造鑽石都是黃色的﹖
7. 以高溫高壓法製造鑽石有什麼限制﹖
4
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可以將鉛筆芯變成鑽石嗎？ 工作紙
1. 墨轉變成鑽石? 科學家用高壓高溫方法將石墨的碳原子排列成為鑽石。
只供教師參考
科學家如何將石
為何合成鑽石的知識與技術涉及科學和工程學兩大領域﹖
人工鑽石是將石墨轉成鑽石，涉及高壓物理學、材料科學、化學等知識。在製做過程中
程學、冶金學等技術。
2.
需要使用高溫及高壓，必須設計出合適的反應室，這涉及機械工
3. 試用「點叉圖」表示一個碳原子與四個碳原子在鑽石晶體內連結的情況。
4. 鑽石是由碳原子組成。試設計一個化學實驗來證明這一點。
將鑽石在空氣或氧氣中以高溫燃燒，分析燃燒產生的氣體。若釋放出的氣體只有二氧化
C碳( O2)，則可證明鑽石是由碳原子組成。
在鑽石晶體內，所有碳原子都以單共價鍵相互結合，每個碳原子與另外四個碳原子連
形成一個三維的共價鍵網狀結構。石墨也擁有
5. 鑽石和石墨的碳鍵和結構有什麼不同?
結成一個四面體，C—C—C 夾角為 109°28’，
巨型 共價結構，不過碳原子組成一個層狀結構。六個碳原子組成一個六角形平面環，鍵角為
120°，層與層之間只有微弱的范德華力。
6. 為什麼大多數的人造鑽石都是黃色的﹖
因為有些碳原子被氮原子取代了。氮氣佔空氣約 80%，在人工鑽石的製作過程中，氮氣很
容易成為鑽石的雜質。
7. 以高溫高壓法製造鑽石有什麼限制﹖
(a) 使用高溫及高壓成本高；(b) 鑽石粒度較細；(c) 難控制雜質；(d) 不能生產鑽石薄膜。
5
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2. 沼氣可以變鑽石？
但礙於價格過於昂貴，令
多男士卻步，改送別的東西。但隨著合成鑽石的技術日漸
thane, CH4)為原料及一片重 0.3
的 薄 鑽 石 為 種 子 ， 採 用 化 學 蒸 氣 沉 積 (chemical vapour
內基 。甲烷俗稱沼
氣沉積法到底是什麼？與化學有
過單共價鍵(single covalent
ond)相互結合，形成一個巨型共價結構(giant covalent structure)。CVD研
鑽石生長 小時
的技術有迅速的發展。圖
三 提供)
鑽石是很多女性喜愛收到的禮物，
許
成熟，人造鑽石的價格比天然鑽石便宜，女士們每人有一鑽
的夢想已經不再是天方夜譚。
2005 年，毛河光博士以甲烷(me
卡
deposition, CVD )方法，只花一星期就能讓 0.3 卡鑽石快速長成
一顆重 10 卡的大鑽石，而造出的鑽石更是透明無色單晶，震
驚學術界和珠寶界。毛河光博士是美籍華人，出生於中國上
海，七歲時舉家遷台灣，現任美國卡
氣，可由牛糞或垃圾等物產生。化學蒸
何關係？可以生成什麼形狀的CVD鑽石？
CVD人造鑽石是利用化學方法，使碳原子透
圖一 由重 10 卡的 CVD 鑽石分割而成之 5 卡鑽石(照片由毛河光博士提供)
研究所的研究員
b
究工作從 50 年代開始，到 1982 年日本科學家才成功建立了第一個CVD
反應爐，利用高溫發熱線 (hot filament) 激活甲烷進行化學反應，可惜
1 微米(1 micron)，1 微米相等於百萬分之一米。近年來，CVD人造鑽石
五展示一個CVD反應爐的主要組件。首先將一片鑽石或非鑽石的基底
(substrate)放在發熱器上，離上面繞成圈形的發熱線只有數個厘米(mm)，目前最常用的非鑽石基
片是矽(silicon)。然後開啟發熱器，將基底的溫度升到 700-1000
圖二 鑽石的結構
速度只是每
oC。最後將甲烷及氫氣注入真空
的反應爐，反應爐內的壓力低過一個大氣壓，利用 2200 oC的發熱線激活甲烷，令甲烷離解成碳
原子、氫原子、甲基自由基(CH3 radical)及其他自由基，它們進行一連串非常複雜的化學反應，
沉積在基片上，生長成小顆粒鑽石或鑽石薄膜(diamond film)。
圖四 一顆末琢磨的CVD鑽石，約
5x5x2.7 mm3，基底厚約 1.5 mm(
CVD 反應爐(照片由毛河光博士圖 照片由 毛河光博士提供)
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氣 體進 入反 應 爐
H2H2 CH4 H2CH4 CH4CH4 H2H2
圖五 CVD 反應爐的主要組件
根據化學家的研究，氫原子和甲基自由基是最主要的反應物。圖六表示在基片表面可能發生的
一種 斷累積到基片上， 發熱線 CVD
本低，並可以生成頗高質的鑽石膜，但發熱線的金屬可成為鑽石的雜質，而且鑽石的生成速
2006 年，Element Six 公司於中
蘇州成立一座 CVD 鑽石加工廠，它是 Element Six 在亞洲建立的第一個 CVD 鑽石基地，生產
化學反應，碳原子利用單共價鍵不 鑽石就一層層生長了。高溫
成
度極慢，只是每小時 1 至 10 微米。為了解決上述的困難，科學家在 90 年代發明使用微波激活
氣體的方法，經高溫電漿(plasma)分解甲烷，電漿亦稱為等離子體。這種技術就是微波電漿化學
蒸氣沉積法(microwave plasma CVD)，雖然成本較高溫發熱線 CVD 貴，但鑽石生成速度可達每小
時 100 微米。香港城市大學物理及材料科學系教授李述湯是研究人工鑽石的專家，他的超金剛
石與先進薄膜研究中心(http://www.cityu.edu.hk/cityu/research/cosdaf.htm)也設有微波電漿
CVD 的反
應爐。目前科學家已掌握了 CVD 技術，可製成有 20 cm 直徑、1 mm 厚的鑽石膜。根據李述湯
教授，CVD 鑽石可鍍在刀面上，就算切硬物如不誘鋼，都可以如切牛油般容易。CVD 鑽石薄膜
還可鍍於手表面，永不會被「刮花」，而成本只是約 20 美元。
Apollo 公司使用 CVD 技術製成寶石級的鑽石，鑽石不但比運用高壓高溫方法合成的鑽石大，而
且較便宜。隨著生長 CVD 鑽石的技術進步，其應用也隨之廣泛。
國
主要應用於製造業的合成鑽石，預期每年可為 Element Six 增加約三億卡的合成鑽石產量。CVD
鑽石的應用包括：散熱裝置、X 光之光罩、磨料、切割工具、高級的音響擴音器等。
圖六 自由基的化學反應
HCH2
H2H
CH3
CH3CH HH
CH
H2發熱 線
基底
發熱 器
抽 氣 泵
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沼氣可以變鑽石？ 工作紙
1. 試用「點叉圖」表示一個甲烷分 分佈情況。
子(methane molecule)的化學鍵
2. 試解釋為何甲基由自基(CH3 radical)是非常活潑的化合物。
3. 用平衡方程式表示甲烷分子分解成甲基自由基的反應。
試
4. 何謂「CVD 鑽石」？試列出二種能激活甲烷分子的方法。
5. 試解釋為何大多數科學家都採用「微波電漿化學蒸氣沉積法」來合成鑽石。
6. CVD 技術可以生成什麼形狀的鑽石？
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沼氣可以變鑽石？ 作紙
1. 試用「點叉圖」表示一個甲烷分子(methane molecule)的化學鍵分佈情況。
工
H
H
H
H
+
+C+
+
2. 試解釋為何甲基由自基(CH3 radical)是非常活潑的化合物。
因為甲基自由基內的碳原子有一不成對電子(unpaired electron)。
3. 試用平衡方程式表示甲烷分子分解成甲基自由基的反應。
C
H
H
H
H C•
H
H
H
+ H•
4. 何謂「CVD 鑽石」？試列出二種能激活甲烷分子的方法。
CVD 鑽石是利用氣體化學反應合成的人造鑽石。CVD 代表 chemical vapour deposition，碳原子
多源自甲烷，混合氫氣或其他氣體，在低過一個大氣壓下，將甲烷分解剩下的碳原子沉積成鑽
石。最常用高溫發熱線(hot filament)或微波(microwave)來激活甲烷分子。
5. 試解釋為何大多數科學家都採用「微波電漿化學蒸氣沉積法」來合成鑽石。
主要原因有以下二個：(a) 鑽石生成的速度較高溫發熱線 CVD 為快；(b) 生成的鑽石
含有較少的雜質。
6. CVD 技術可以生成什麼形狀的鑽石？
顆粒或薄膜
只供教師參考
9
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3. 什麼有用的
他用途嗎？就天然鑽石(natural diamond)而言，百分之 50 鑽
石來自非洲，其他出產在加拿大、印度、巴西、澳洲及俄羅
斯。但只有約 20%的天然鑽石可達到寶石級的質素，其餘都
應用於工業。你見過人造鑽石(synthetic diamond)嗎？每年人造
鑽石的產量是天然鑽石的四倍，在工業及醫學上有更多用途。
切割工具 鑽石的英文名稱 diamond 是源於古希臘語 adamas，有堅硬而
可侵犯的意思。鑽石由碳原子組成，晶格內包含強的共價
特質
組附有鑽石的鋸，有鋸木廠利用它鋸開堅實的木板，以製
廚房傢具。鋸木廠發現鑽石鋸非常耐用，平均可用六個月，
生產效率，又能造出高質的切口，方便裝配廚房傢具。
近年來，意大利通過了新的交通安全法，要求汽車隧道加設
牆壁凹位，讓司機及乘客遇上意外時作為避車處之用。為了
替已通車的隧道切割出拱門形的牆壁凹位(圖一(b))，建築公
司運用了鑽石切割器，由於佔用很少空間及操作靈活，工程
並沒有嚴重妨礙正常的交通。
醫療儀器上，堅硬的鑽石可製造高質的手術刀(圖一(c))，例
磨工具
joint，
保護關節中的磨擦點，避免其破損。
式的人工關節通常以塑膠保護磨擦點，但過了幾年就會
鑽玻璃、岩石
(diamond dies)。
鑽石可製造鑽石可製造 工具？ 工具？
鑽石是不少人夢寐以求的寶石，但鑽石除了造寶石，它還有鑽石是不少人夢寐以求的寶石，但鑽石除了造寶石，它還有
其其
不不
鍵，因此非常堅硬，是世界上最硬的物質。鑽石無比堅硬的鍵，因此非常堅硬，是世界上最硬的物質。鑽石無比堅硬的
使其能用於建築工程上作切割用途。例如，圖一(a)展示使其能用於建築工程上作切割用途。例如，圖一(a)展示
一一
造造
但傳統的鋸幾天便要替換。此外，鑽石鋸切割速度快，能增但傳統的鋸幾天便要替換。此外，鑽石鋸切割速度快，能增
加加
在在
如醫治白內障所用的手術刀便是用鑽石製成的。鑽石刀比不
銹鋼刀鋒利，讓醫生更精確地控制落刀的位置，令傷口更快
如醫治白內障所用的手術刀便是用鑽石製成的。鑽石刀比不
銹鋼刀鋒利，讓醫生更精確地控制落刀的位置，令傷口更快
愈合。 愈合。
耐耐
鑽石的耐磨性十分高，可製造人工的髖關節(artificial hip
鑽石的耐磨性十分高，可製造人工的髖關節(artificial hip
圖一(d))。人工髖關節能用於代替受關節炎創傷的人圖一(d))。人工髖關節能用於代替受關節炎創傷的人
體關節。鑽石可用於體關節。鑽石可用於
舊舊
退化。其他耐磨工具包括：磨刀器(圖一(e))；退化。其他耐磨工具包括：磨刀器(圖一(e))；
等硬物的鑽頭(drills)；以及用作拉出幼少金屬線的鑽石模具等硬物的鑽頭(drills)；以及用作拉出幼少金屬線的鑽石模具
3. 什麼有用的
他用途嗎？就天然鑽石(natural diamond)而言，百分之 50 鑽
石來自非洲，其他出產在加拿大、印度、巴西、澳洲及俄羅
斯。但只有約 20%的天然鑽石可達到寶石級的質素，其餘都
應用於工業。你見過人造鑽石(synthetic diamond)嗎？每年人造
鑽石的產量是天然鑽石的四倍，在工業及醫學上有更多用途。
切割工具 鑽石的英文名稱 diamond 是源於古希臘語 adamas，有堅硬而
可侵犯的意思。鑽石由碳原子組成，晶格內包含強的共價
特質
組附有鑽石的鋸，有鋸木廠利用它鋸開堅實的木板，以製
廚房傢具。鋸木廠發現鑽石鋸非常耐用，平均可用六個月，
生產效率，又能造出高質的切口，方便裝配廚房傢具。
近年來，意大利通過了新的交通安全法，要求汽車隧道加設
牆壁凹位，讓司機及乘客遇上意外時作為避車處之用。為了
替已通車的隧道切割出拱門形的牆壁凹位(圖一(b))，建築公
司運用了鑽石切割器，由於佔用很少空間及操作靈活，工程
並沒有嚴重妨礙正常的交通。
醫療儀器上，堅硬的鑽石可製造高質的手術刀(圖一(c))，例
磨工具
joint，
保護關節中的磨擦點，避免其破損。
式的人工關節通常以塑膠保護磨擦點，但過了幾年就會
鑽玻璃、岩石
(diamond dies)。
圖一(a-e) 鑽石的應用
准許複印) (以上照片獲得 Diamond At Work
10 10
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鑽石散熱片
研究顯示，約 55%電子儀器失靈是由於高溫。在室溫下，鑽石是
產
於
如
，
的
熱方式與金屬不同。金屬是靠自由電子(free electron)的游動來導
石晶體中沒有自由電子，熱的傳導是利用晶格振動
速
統正常運作，在較高的功率運作
。例如，鑽石散熱裝置最常用於
纖通訊設備的重要組件。
半導體
矽相比，鑽石有較高的耐熱能力，能夠在高溫
石是絕緣體，因為純鑽石在很高的外
加電場下仍沒有可以自由移動的電子，故不能導
石含有硼(boron)原子，由於硼原子比碳原子少
。在外加電場作用下，電洞會被少數電子的補入而造成電洞移動，形成電流。這種
電流較導電體的小，故含有硼的鑽石屬於半導體。
2006 年，台灣國立中山大學機電系楊台發教授成功研發了納米結構的鑽石電極(electrode)。他將
鑽石薄膜沉積於矽片上，使其表面積增加一千倍以上，較其他材料靈敏度高達六千倍，未來將
應用於醫學，如檢測血液、蛋白質與體液的化學成份等，將大
已知材料中的最佳導熱體(thermal conductor)，故它非常適合於
成散熱裝置。若果我們需要發展出速度更快、積體更小的電子
品，便需要處理散熱的問題。散熱片(heat spreader)是一種貼附
發熱表面，以熱傳導方式來散熱的裝置，多以導熱性佳的金屬
銅或鋁製造。實驗証明，在室溫下，鑽石的導熱性比銅高五倍
鑽石的熱傳導速度比最好的金屬(銀)更可高至四倍有餘。鑽石
製
導
熱的。在鑽
(lattice vibration)，由一個碳原子傳送到另一個碳原子。由於鑽石
具有堅固的晶格，碳原子之間的共價鍵又強，所以晶格振動的
度特快，尤其是純潔的鑽石。
因此，鑽石能迅速散去電子產品運作中所產生的高熱，保持系
下不致於過熱，這對小電晶體和其他微小的電子元件非常重要
雷射二極體(laser diodes)，它是雷射音響、雷射印表機、光碟機以及光
圖二 鑽石散熱片(照片獲得 Element Six 准許複印)
鑽石
我們日常運用的矽(silicon)半導體需要良好的散熱
系統才能正常運作，一旦將散熱風扇關掉，便會
在幾分鐘內燒毀。因此，科學家渴望成功找到代
替矽晶片的耐熱半導體材料，而答案就是鑽石。
與
之下導電，其導電能力在攝氏幾百度仍然能正常
運作，故適合用作發展速度更快的電腦中央處理
器。但鑽石是非金屬，為什麼鑽石能導電？不含
雜質的純鑽
圖三 鑽石散熱片及半導體的研究(照片獲得楊台發教授准許複印)
電。若果鑽 一個最外層電子，晶格內會形成電洞
(electron hole)
大提升檢驗的準確性。
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鑽石可製造什麼有用的工具？ 工作紙
1. 有人說：「鑽石是超硬材料」。這句說話對嗎?為什麼？
2. 鑽石可以製造什麼有用的切割工具﹖
3. 鑽石可以製造什麼耐磨工具﹖
4. 試由高至低排列出以下物質的導熱性：銅、鑽石、銀。
5. 鑽石是怎樣導熱的?
6. 什麼是「鑽石散熱片」？
7. 為什麼有些鑽石是半導體? 哪些性質使鑽石能
成為良好的電子元件材料﹖
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鑽石可製造什麼有用的工具？
有人說：「鑽石是超硬材料」。這句說話對嗎?為什麼？ 對！因為鑽石晶格內包含強的共價鍵，因此非常堅硬，是世界上最硬的物質。
工作紙
8.
. 鑽石可以製造什麼有用的切割工具﹖ 例子包括鑽石鋸及手術刀。
9
0. 鑽石可以製造什麼耐磨工具﹖
例子包括鑽石人工的髖關節、磨刀器、鑽頭和模具。 1
1. 試由高至低排列出以下物質的導熱性：銅、鑽石、銀。 鑽石 > 銀 > 銅
1
. 鑽石是怎樣導熱的?
在鑽石晶體中沒有自由電子，熱的傳導是利用晶格振動，由一個碳原子傳送到另一個碳
子。由於鑽石具有堅固的晶格，碳原子之間的共價鍵又強，所以晶格振動的速度特快。
5
原
. 什麼是「鑽石散熱片」？
鑽石散熱片是一種貼附於發熱物件表面，以熱傳導方式來散熱的裝置，目的是使電子產
能保持正常運作，例如雷射二極體(laser diodes)。
6
品
. 為什麼有些鑽石是半導體? 哪些性質使鑽石能成為良好的電子元件材料﹖
含有硼雜質的鑽石是半導體，因為硼原子比碳原子少了一個最外層電子，會形成電洞，
外加電場作用下，電洞會被少數電子的補入而造成電洞移動，形成電流。鑽石的高耐熱性、
7
在
高導熱性、不活潑性使它能成為良好的電子元件材料。
只供教師參考
13
-
4. 納米鑽石有什麼用途？
一般人總會認為鑽石越大越好，因為它的價 高，但是極細小的鑽石有很高的應用價值，
它們稱之為納米鑽石(nanodiamond)。近年來，市 上出現各式各樣的納米產品，但大部人似乎
米(nano)是毫微(nanometer，符號是 nm)的縮寫，它是長度單位之一，就像我們常用的單位毫米
m)、厘米(mm)一樣，1 納米相等於十億分之一米。人類頭髮的直徑大約有 6 萬至 8 萬納米，由
。如果一件物件的大小是少於 100 納米，那麼這件
材料
米材料具有很高的應用價值，因為如果物料的大小
於 變化。納
米鑽石
或粉末(powder)形式生產。圖一顯示由台灣科學家利
化學蒸氣沉積法(chemical vapour deposition)生產的
米鑽石(~32 nm)，白線則代表 500 nm 長度。圖二展
許多
圍十分廣。
汽車
米鑽石可以成為汽車油漆的添加劑。作為良好的汽
油漆，除了把汽車塗上色澤，使汽車的外貌美觀之
外殼，有防止氧化生
鏽、
石顆粒擁有十分堅硬、抗腐蝕的特性，加入納米鑽
的汽車油漆，就能夠抵抗天氣的變化和自然環境所
酸雨
，由於納米鑽石顆粒擁有疏水的特性，它能夠抗
漬的黏附，所以加入了納米鑽石的汽車油漆
值越大越
面
一知半解。「納米」到底是什麼?「納米鑽石」又是什麼呢?
納
(c
此可想像 1 納米是細小到我們看不見的東西
就可叫作納米材料了。
納
是少 100 納米，其物理和化學性質都會有
的大小只有大概頭髮的千分之一，以薄膜(film)
用 圖一 人工合成的納米鑽石薄膜
(照片獲得 I.N. Lin 教授准許複印)納
示利用爆炸技術生產的納米鑽石粉末。由於鑽石具有
超越其他材料的特性，在工業及醫學方面的應用
範
油漆
納
車 圖二 納米鑽石粉末(照片獲得
Nanodiamond.com 准許複印) 外，它也要能夠保護汽車的金屬耐磨損、耐潮濕、抗酸鹼、化學品和溶劑的腐蝕
作用等。2004 年，德國Carbo-Tec公司報告，由於納米
鑽
石
造成的損害，例如溫度的轉變、濕度的變化、雨水和
的侵蝕、陽光中紫外光照射所產生的變化和石頭
的磨損等，同時也能夠抵禦因人為疏忽的所造成損
害，如輕微撞擊所產生的刮痕等。
此外 圖三 汽車油漆中的納米鑽石(照片
獲得 Diamond At Work 准許複印) 液體或污
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的表面比用傳統的汽車油漆的更易清潔。德國C rbo-Tec的研究員已與汔車油漆製造商聯絡，商
油添加劑
平摩擦表面的納米裂缝，
修復後的表面形成一層平滑、耐磨損、堅固的鑽石保護膜，這避免了機件金屬之間的摩擦和損
腐蝕的作用。
分的熱力，故此提升了機器的壽命。同
，故能夠減少摩擦的產生和改善汽油的燃
石是惰性(inert)物質，能夠承受高腐蝕性的環境，
排斥。醫學界將納米鑽石鍍上心血管支架，讓支架保持
。因為早期的心臟血管支架都是純金屬，表皮細胞很容易長上去，久而久之心臟血
又變細。
。 有許多
病 和毒素
的膽固醇，加寬血管管壁，疏通腦血管
不但可以使病者的血壓回復正常，也可
也可以深入毛細孔清洗污穢，清除皮膚
機械人的漱口水可以分辨及銷毀具破壞
在口腔內健康的生態系統中繁殖成長，同時更可以辨識出
物的粉粒，從牙縫中將其清除。納米鑽石能夠產生這些殺菌和治療作用，原因是它體積細小，
a
討如何大量生產含有納米鑽石的汔車油漆。
機
納米鑽石可以作為機油添加劑或潤滑劑，它可以用於汽車發動機和模型用的發動機中(汽油機或
柴油機皆可)作為潤滑劑，也可用於有刷馬達的銅頭作為潤滑劑。納米鑽石的功能是在汽缸和活
塞相對運動的過程中，首先填 磨削掉納米的凸處，通過短時間的運轉，
在
耗，也有着潤滑、修復、抗氧化、耐高温、抗酸鹼、抗
此外，由於納米鑽石的傳熱性高，能夠迅速散去摩擦部
時，加入納米鑽石作為機油添加劑，減低了汽油的黏性
燒情況。
醫學方面的應用
鑽 且具生物相容性(biocompatible)，不會被人體
暢通，也可以增加耐磨程度，避免產生
疤痕組織等
管
鑽石沒有毒性，納米鑽石可以穿過細胞壁進入人體細胞
不成對電子(unpaired electrons)，因此它能消滅可造成疾
及細菌。美國麻省理工學院的教授更將鑽石製成「納米
納米機械人可注入人體血管中，清除血液中使動脈硬化
中的血栓，對抑制心血管病的復發很有幫助。納米鑽石
以強化心血管系統。
其次，把納米機械人混合在乳霜中可用來治療皮膚病，
的壞死角質及過多的油脂。在清潔口腔方面，包含納米
性的病菌，並允許口腔內無害的物質
由於納米鑽石的表面積大及具
的活躍自由基(free radicals)，中
機械人」，在醫療領域有很多應用。例如
食
又能抑制由自由基引致的化學反應。
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納米鑽石有什麼用途？
2. 什麼是「納米鑽石」?
工作紙
1
13. 為什麼納米鑽石是製造優質汽車油漆的材料?
. 納米鑽石可以作為機油添加劑，試說明主要的原因。 3
. 納米鑽石具有哪些特性，使它能在醫學方面有廣泛的應用? 4
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納米鑽石有什麼用途？
工作紙
. 什麼是「納米鑽石」? 納米鑽石是極細小的鑽石顆粒，少於 100 納米 (nanometer)，1 納米相等於十億
之一米。
只供教師參考
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分
2. 為什麼納米鑽石是製造優質汽車油漆的材料?
由於納米鑽石顆粒擁有十分堅硬、抗腐蝕的特性，它能夠保護汽車的金屬外殼，
止氧化生鏽、耐磨損、耐潮濕、抗酸鹼腐蝕等作用，也能夠抵抗天氣的變化和自 有防
然環境所造成的損害，例如溫度的轉變、濕度的變化、雨水和酸雨的侵蝕、陽光中紫
所產生的變化和石頭的磨損等。納米鑽石油漆能夠抵禦因人為疏忽所造成 外光照射
的損害，如輕微撞擊所產生的刮痕等。由於納米鑽石顆粒擁有疏水的特性，它能夠抗
液體或污漬的黏附，令汽車外殼更易清潔。
納米鑽石可以作為機油添加劑，試說明主要的原因。
(a) 納米鑽石細小、耐磨損和堅固，它能填平摩擦表面的裂缝，磨削掉凸處，通
3.
過短時間的運轉，在修復後的表面形成一層平滑、耐磨損、堅固的鑽石保護膜，這避
免了機件金屬之間的摩擦和損耗，有潤滑、修復、抗氧化、耐高温、抗酸鹼、抗腐蝕
的作用。
(b) 納米鑽石的傳熱性高，能夠迅速散去摩擦部分的熱力，提升了機器的壽命。
納米鑽石能降低汽油的黏性程度，減少摩擦的產生，改善汽油的燃燒情況。 (c)
. 納米鑽石具有哪些特性，使它能在醫學方面有廣泛的應用?
損，也能夠承受高腐蝕
。納米鑽石的體積極細小，既可深入毛細孔，也可以穿過細胞壁進入人體細胞。
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納米鑽石沒有毒性，生物相容性高，不會被人體排斥，耐磨
性的環境
納米鑽石的表面積非常大及具有許多不成對電子，能消滅可造成疾病的自由基，故能
產生中和毒素、殺菌和治療的作用。
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