点石成金梦想的实现

点石成金梦想的实现

成语“点石成金”的原意是古代方士谎言能用法术将石头化成金子。然而，该成语也是人类千百年来寻求改变物质存在状态，梦想把普通物质转变成珍稀物质愿望的写照。正是这一梦想激励着化学家们呕心沥血地从事物质间的转化和新物质的创造，把梦想一步步地变成现实。

化学家从物质的多样性和人类需求出发，致力于对天然物质的认识、物质存在形态的改变和新物质的创造。数百年来，他们使得人类社会所有的化合物已达到1300万种之多，其中许多已成为人们生活、生产的必需品。由于新的合成方法的不断涌现，人类合成新物质的能力正以惊人的速度增长。20世纪初年平均合成新化合物为6．6万种，到20世纪末年平均合成新化合物已达66万种。

超高压合成是在很高的压力（1万大气压以上）和温度下合成新物质的极端合成技术。人类的家园——地球表面上的气体压力为一个大气压左右，在此压力下存在的许多物质随着压力的提高将发生存在方式和反应能力的变化，这就使得超高压合成显得格外重要。

迄今为止，人们已用超高压合成技术成功地制备了许多新材料，用石墨制造金刚石就是一个突出的例子。石墨和金刚石都是由碳原子组成，但由于其中的原子排列方式和结合力大小不同，宏观上表现出迥异的性质。石墨是一种质地松软的黑色物质，我们使用的铅笔芯就是由石墨制成的。金刚石又称钻石，晶莹透明，是非常稀少的高档宝石，名列宝石之首，是自然界中最硬的物质，在许多领域都有重要的应用，其价值远高于黄金。使用超高压合成技术，在压力5万～6万大气压、温度1600℃左右的条件下，石墨就转变成了金刚石。

人工合成金刚石技术现在已经非常成熟，大颗粒人造金刚石产品的直径可达7毫米以上，可作为高档装饰宝石。人造金刚石还被制成各种超硬机械加工工具，如车刀、钻头、锯片、砂轮、磨块等，用于精密机械加工、地质勘探、石油钻探等领域。也正是由于可以低成本合成金刚石，才使它得到广泛的应用，极大地推动了社会进步。我国现有数百家金刚石生产厂，每年产品有数万千克。

利用高温高压技术合成超硬材料的另一成功例子是立方氮化硼的合成。它是纯人工合成的新材料，硬度仅次于金刚石，是至今发现的第二硬材料。它可以在很高的温度下使用，并可以加工各种钢材，是现代自动加工系统——无人工厂的关键工具材料。

地球的内部是一个巨大的高温高压环境，在此环境下形成了许多常压下无法形成的高压矿物。模拟高压成矿条件可以实现这些矿物质的人工合成，人造翡翠宝石就是采用这种方法以玻璃为原料合成出来的。

现在高压合成领域的科学家们正致力于新一代高性能材料的合成研究，氮化碳、硼碳氮、金属氢等都是热点方向。现有的理论计算表明，氮化碳和硼碳氮都将是比金刚石还要硬的物质，如能成功，将获得非常重要的应用。金属氢是具有金属性质的氢。氢是重要的物质和洁净的能源，在常温下以气态存在，－253℃时为液态，－259℃时为固态。如能成功，将对人类生活带来革命性的变化。

众所周知，物质都是由原子组成的，原子由原子核和核外电子组成，原子核由一些质子和中子组成。从能量角度上看，改变原子中的外层价电子的运动状态，使原子间重新组合成新物质是相对容易实现的。

迄今为止，合成化学还是停留在提供适当的能量和环境，以改变外层价电子的结合方式来创造新物质的层次上，而改变内层电子甚至原子核的形态还基本上是可望而不可及的。理论计算表明，随着压力的提高，物质的存在状态将发生一系列的变化。一个大气压到几十万大气压范围内，压力可以有效地影响外层电子状态，从而改变原子间的结合方式，合成出许许多多新形态的物质及新化合物，这是一个目前研究最为活跃的压力区域。

在几十万到几百万大气压范围内，电子云明显重叠，物质存在更为丰富的结构相。在几百万到几千万大气压范围内，电子云强烈变形，存在形态非常复杂。在数十万兆大气压下内层电子都逐渐被挤破，所有的物质都是导电体，所有电子都成为在原子核场中运动的共有电子。进一步升高压力，原子的有核结构不复存在，物质将以极高的密度（常压下物质密度的几万倍）存在，电子则以近光速（每秒30万千米）自由运动。不断改变技术条件，扩展压力上限，实现新物质的创造及拓宽对存在的认识是科学工作者的追求目标。

在浩瀚的宇宙之中，存在着无数的恒星、行星、类星体和黑洞等。这些宇宙天体几乎都是处在极端高的压力和温度状态，对“这些天体是由什么组成的”、“其组成物有什么结构和形态”、“它们有什么新属性”等问题人们还知之甚少。对这些问题的探索有助于人类对物质本源、宇宙的成因、时空的本质等重大科学问题和哲学问题的认识。

科学发展到今天，人类已能通过改变原子的外层电子状态来合成为数众多的新物质，也可将一些非常普通的物质转变成具有特殊性质的珍稀物质（石墨转变成金刚石就是一个例子），从而在广义上实现了点石成金的美梦。随着科学的进步，合成化学将一步步从影响外层电子走向影响内层电子，直至原子核。终有一天，人类将能有效地改变原子核，实现严格意义上的点石成金。