钻石能解决的一万亿美元难题1×0:0015:190:00开场:钻石不是你以为的那种东西1:25地球深处的天然钻石3:26钻石偷走热量的能力4:48电脑为什么越来越热7:54为什么必须是实验室钻石10:14像微波炉一样生长钻石12:48数据中心、卫星,以及仍在验证的未来0:00主播欢迎收听「Huge If True 中文播客」。本期完整转述 Cleo Abram 的视频「钻石能解决的一万亿美元难题」。她一开场拿起一颗五百八十克拉的钻石说:这不是从地底挖出来的,而是在一台机器里长出来的。大多数人想到钻石,会想到昂贵珠宝,或者想到超硬钻头。但她说,真正让人兴奋的故事不是这些。0:27主播现在,人类已经造出了巨大的机器,可以在实验室里重现地球内部的条件,长出钻石;也找到了更新、更便宜的方法制造它们。正是这些技术,正在打开一种超级材料的隐藏潜力。有人把钻石送进太空,把它加入大型计算机,还试着用它解决我们眼前一个越来越大的技术难题。0:51专家与现场声音视频里的声音不断交叠:钻石、钻石、实验室培育钻石;有人说它们不是真钻石,也有人说我们正在接近极限;还有研究者说,钻石的未来非常令人兴奋。1:05主播Cleo 说,这期视频讲的是材料科学如何被推到极限,并最终为所有人带来好处。她走进一家制造钻石的实验室,获得了少见的近距离拍摄机会;同时,她也会把我们缩小到电脑内部,看看为什么钻石远不只是你以为的那样。1:25主播镜头来到实验室。Cleo 看着一排排设备说:这些机器,每一台都在制造钻石。如果你想看天然钻石是怎么形成的,就得往地球深处钻一个比多数人想象更深的洞。绿宝石、蓝宝石、红宝石这些宝石,通常在地壳里形成;但钻石来自更深的地幔。1:49主播那里是极热、黏稠、流动的岩石,里面有许多碳原子。它们在数百万年的时间里,被比地表大约五万倍的压力挤压得越来越近,直到每个碳原子都和周围四个邻居形成键。这种结构让钻石不仅成为我们已知最硬的天然材料,而且比第二硬的材料还要硬大约四倍。2:11主播这也是为什么几十年来,人们一直用钻石来切割、钻孔、研磨和抛光。因为钻石基本能切开任何东西。但 Cleo 马上提醒:等等,实验室里的这些东西,看起来可不都像戒指上的那种钻石。2:28专家与现场声音实验人员解释说:你熟悉的实验室培育钻石,通常是单晶钻石。它在反应腔里长大,几个星期内,一颗小小的种子会变成一块粗钻,最后可能切成两三克拉的宝石。2:43主播Cleo 把一把小钻石捧在手里,忍不住说:我现在正抓着一把钻石,天啊,这也太酷了。工作人员提醒她要小心,因为这些小晶体边缘非常锋利。她于是小心把手上的碎屑吹掉,免得嵌进皮肤里,还笑称自己得了「钻石炎」。3:02主播随后,她拿起另一种完全不同的材料。受访者说,这是多晶金刚石。它不是一整颗单晶,而是由数百万个很小的钻石晶粒结合在一起;每个晶粒大约只有一根头发那么宽。更重要的是,这块钻石并不是为了切割或抛光而做的,它是为了展示钻石一个很少有人知道的隐藏能力。3:26主播Cleo 拿出一片非常锋利的不锈钢剃刀,把它放在冰块上。剃刀也能切进冰里,但需要用力,也需要时间。接着她换成钻石,往冰上一放,冰几乎像黄油一样被切开。她惊讶地说:天啊,看到了吗?3:44主播关键不在于钻石硬,而在于钻石处理热量的方式。钻石内部的化学键短而坚硬,但原子仍然会振动。一个原子晃动邻居,邻居再晃动下一个,热量就像涟漪一样穿过晶体。热在钻石里传播得非常快,这个能力叫热导率。4:05主播如果把常见的高导热材料画成一张图,钻石会出现在非常靠上的位置。它传导热量的能力,几乎超过地球上绝大多数材料。所以那块钻石之所以能像切黄油一样切冰,是因为它从 Cleo 的手上迅速偷走热量,再把热传到冰里。她笑着说:它把我手上的热都拿走了,我的手好冷。4:28主播可是,钻石特别会「偷热」,到底和我们有什么关系?这时视频跳进一台电脑里。Cleo 说,你一定遇到过电脑做高强度任务时变得很烫,那只是一个很小的例子。真正的问题大得多,它正在限制今天几乎所有最先进的计算机。4:48主播Cleo 解释说,现代计算机的大部分开关都依赖硅,也就是晶体管。晶体管越多,计算能力就越强。过去几十年,人类把晶体管做得小到难以置信。她用一连串比例来让观众感受这种尺度:如果第一代 iPod 是一个很大的参照物,第一只晶体管就小得多;再往下,还有一毫米长的最小蚂蚁、缓步动物、红细胞、细菌、流感病毒。5:17主播第一代 iPod 里的晶体管,大约只有流感病毒那么大。第一代任天堂 Wii 里的晶体管更小。而今天的晶体管,已经小到更加夸张。这种不断缩小晶体管的能力,让工程师大约每两年就能把一块芯片上的晶体管数量翻倍。你也许听过这个名字:摩尔定律。5:38主播正是因为它,你口袋里的手机,计算速度可以比当年把人类送上月球的计算机快一亿倍以上。但问题是,我们似乎撞上了一堵墙。如果晶体管继续变小,物理规律会让我们越来越难控制它们如何开关。5:55主播于是,工程师不再只是把更多晶体管并排塞在一起,像在一个街区里塞更多房子;他们开始把晶体管向上堆叠,像把独栋住宅改成多层公寓。但这会产生大量热,而且热没有地方可以去。这些额外热量,正成为一个大问题。6:16主播Cleo 说,我们想象的许多更好的未来,无论是更多计算、更远的太空探索、更好的汽车、更好的药物,还是更清洁的能源,都依赖我们找到办法越过这道热墙。而现在,研究者认为钻石也许能帮上忙。6:34专家与现场声音一位研究者说:我们想要更高速度,更高性能,更多功能,而这一切都给电子系统施加了巨大的压力。我们把东西做得越来越小,又要求它们跑得更快、更用力,结果就产生更多热,让效率变差,直到整个系统撑不住。6:53主播她是研究用钻石「毯子」给电脑内部降温的世界级专家之一。所有电脑都需要尽快把热量从芯片上带走,这叫热扩散;然后还要找一个地方把热倒掉,也就是散热器。在你的电脑里,当风扇发出呼呼声时,芯片正在发热,顶部的铜试图把热从芯片带走,沿着铜管扩散到一排铝制鳍片上,最后由风扇把热吹出机器。7:20主播这在你的笔记本里只是一个小问题,但在数据中心、电动汽车和卫星里,就是大问题。那么,如果我们用一种导热性更强的材料,比如钻石,会怎样?7:33专家与现场声音研究者说:钻石看起来就是合适的材料。我们的想法,是把钻石直接长在芯片上,像一张毯子一样包住它,帮助更快地偷走热量。我们的工作显示,如果我像毯子一样把它包起来,就能让晶体管更凉,也就比原本高效得多。7:54主播但你没法直接用天然钻石来做这件事。不只是因为把它们从地下挖出来太贵,也因为许多天然钻石在形成时夹杂了其他元素,这会让它们传热变差。所以这条路之所以现在才真正被探索,唯一原因是:我们已经非常擅长制造超级纯净的实验室钻石。8:14主播接着,视频出现一个小插曲。Cleo 说,在去钻石实验室的路上,她正在研究人类第一次制造钻石的历史,还找到了一批很有意思的、已经解密的中情局文件。她开始写下一段脚本,但不想让旁边的人看到屏幕,于是展示了一种笔记本隐私显示功能。8:33主播普通公司常用贴在屏幕上的塑料隐私膜,像给电脑戴一副偏振太阳镜;它能挡住侧面视线,但会让亮度损失一半,而且很容易弄丢。Cleo 展示的设备里,隐私层藏在显示屏内部,厚度不到三根头发。当她按下按钮,额外电压会让那一层分子倾斜,于是正对屏幕的人能看清,侧面窥探的人看不到。她说自己经常为这个节目旅行,这类能配合实际工作方式的商业设备,对她很有帮助。9:08主播广告段落结束后,她回到那些文件。人类第一次制造钻石,发生在二战后的一个秘密项目里。解密的中情局文件显示,当时美国每年需要大约五百万克拉钻石,用来研磨、钻孔、切割飞机、坦克和装甲的零件。于是通用电气的研究实验室开始尝试人工制造钻石。他们把项目叫作「超级压力」。9:34主播这个方法使用巨大的机器,创造类似地球内部的条件。先放入超纯碳粉,再加入金属助熔剂,然后把温度升到一千摄氏度以上,形成类似地幔中的熔融混合物。但它不用整颗地球的重量来施压,而是用强大的机械臂把材料挤在一起,压力相当于把一架商用飞机压在你的指尖上。9:57主播不过,只有高温和高压还不够。还需要一颗小小的钻石作为种子,让碳原子有东西可以抓住。这样,生长过程就从数百万年缩短到不到一周。这个方法的名字很直白:高压高温法。10:14主播今天,人们还经常使用更新的方法和另一种机器。实验室人员让 Cleo 亲自启动一次钻石生长。对方说,这有点像烤蛋糕。第一种材料还是钻石种子,它会告诉碳原子应该形成什么分子结构。不同的是,这次不把种子放到巨大的机械臂之间,而是把它放在一个耐热金属圆盘上,再推入反应腔。10:40专家与现场声音实验人员说:第一步是把腔体里的空气全部抽出去。这样,我们才能只加入制造纯钻石所需要的成分。第一种成分是氢气,它会帮助晶体生长。接着,我们把这个腔体变成一个巨大而强力的微波炉,大约是家用微波炉功率的十倍。11:00主播这些微波会给氢分子能量,制造出一团等离子体气体,它可以打断分子。实验人员倒数三、二、一,等离子体亮起来。Cleo 说:太酷了,真漂亮。她能看到发光的等离子体,也能看到刚才放进去、将要长出钻石的金属圆盘。11:22主播最后一种成分是碳,来源是甲烷气体,也就是 CH4。当甲烷被加入进去,等离子体的颜色开始改变,逐渐变绿。等离子体里的能量把甲烷打散成碳和氢,随着时间推移,碳原子沉积到钻石种子上,晶体就开始生长。这个方法叫化学气相沉积法。11:45主播如果条件在几个星期里都保持得刚刚好,就能得到可切割成宝石的单晶钻石。但要生长多晶金刚石,有时甚至不需要种子。Cleo 看着一块新长出来的钻石说:她在这儿了。这些全部都是钻石,但从某种角度看,也可以说它们就是被微波处理过的甲烷和氢。12:08主播实验室生长的钻石,往往比地球深处形成的天然钻石更纯,因此更适合传热。更重要的是,人类可以把它们长成想要的形状。而且,制造钻石的过程已经变得足够快、足够可靠,所以专家开始认真讨论:每一块芯片都有一层钻石,这并不是科幻。12:32专家与现场声音有专家说:我不认为这是科幻式的展望,我觉得它非常真实,非常可能。事实上,现在已经有数据中心在使用钻石冷却服务器了。世界上第一台钻石冷却服务器,是一台英伟达 H 二百服务器。12:48主播Cleo 继续说,抬头看,太空里已经有含有钻石材料的卫星。受访者解释,钻石正在帮助缩小卫星体积,因为卫星很大一部分空间都要留给电子设备和散热管理。如果钻石让数据中心用更少资源获得更多计算能力,这也会非常重要。13:08专家与现场声音一位企业人士说:这是令人惊讶的突破消息,而且是刚刚出炉的。我们上周刚拿到数据。在旧金山一个数据中心做的最近测试里,从一块图形处理器上获得的计算量翻了一倍。13:23主播Cleo 马上补充:再强调一次,这一切仍然是测试,是一个大实验,也正是「HUGE If True」的意思。它暗示了一种未来:为了同样的电力和同样的计算需求,我们也许不需要建两个普通数据中心,而是建一个就够了。13:42专家与现场声音另一位研究者说:今天的应用已经迫切想要把温度降低两摄氏度。而我们的一些工作显示,可以把温度降低七十摄氏度。13:53主播除了让数据中心更高效,钻石还有更多隐藏能力,人们才刚刚开始触及表面。Cleo 还开了个小玩笑,说「触及表面」这个说法很适合钻石,因为你几乎刮不动它。比如,钻石能承受非常高的电压,理论上可能制造出很好的钻石晶体管;它抗辐射,所以在太空和地球上的大型实验装置里很有用;它还和人体相容,因此也被看作有潜力的药物递送工具。14:23主播不过,Cleo 依然很谨慎。她说,这些全部都属于「如果成真就很重要」。我们现在还不知道它们究竟会不会成真。材料科学正处在一个令人兴奋的时刻,没有人准确知道钻石会在计算未来中扮演什么角色,我们正在当下把这件事弄清楚。14:43主播她最后总结:这是一个巨大的实验。我们把一种原本熟悉为珠宝的东西,拿来做更大、更重要的事。因为人类学会了模仿地球内部的条件,制造过去只有自然界才能制造的材料;而这项技术如今成熟到足以让我们探索新的用途,帮助人类,也帮助造就钻石的这颗星球。15:05主播如果你相信乐观的科学与技术故事,Cleo 在原视频结尾邀请观众订阅。感谢收听本期「Huge If True 中文播客」,我们下一期继续跟进 Cleo Abram 的新视频。
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