金刚石生物技术论文

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1引言

近年来，随着我国的经济发展和社会进步，无论是地质找矿，还是工程勘察，对钻探的需求都越来越大，也都面临着地层越来越难打的问题。而金刚石———这一超硬材料的出现，不仅大大地提高了普通地层的钻进效率，而且解决了坚硬地层进尺难、不进尺等问题。然而天然金刚石在大自然中存在少，且难以开采，用于制作钻头成本高。近些年的人造金刚石，可以说很好地解决了这个问题。众所周知，金刚石由C原子构成，和石墨的成分一样，同为C元素的一种单质，区别在于石墨排列松散而金刚石排列致密。人造金刚石的主要原理即是利用高温高压使得石墨中本来松散排列的C原子重新定向排列，形成紧密、有序排列的金刚石。然而利用高温高压合成金刚石，不仅需要消耗大量资源、能量来提供高温高压环境，而且需要的时间长，合成出来的金刚石颗粒远远小于天然金刚石。故笔者想到，是否有其他方法，能够在常温常压下合成人造金刚石，并尽可能地缩短合成时间、增大合成所得的颗粒。大自然是神奇的，自然界存在许许多多神奇的生物，能够通过自身作用，产生对人类生产生活有用的物质，如蚕吐丝、蚌壳生珍珠，故笔者联想到，是否能利用生物来生产金刚石呢？

2实现的可能性讨论

2.1耐高温耐高压生物的找寻首先，我们想到，金刚石的制造需要高温高压，故要寻找能够制造金刚石的生物，我们可以从寻找能够在高温高压下生存的生物开始，逐步破解难题。通过查阅资料，我们发现，世界上生命力最强的生物———熊虫。熊虫又名水熊、水熊虫，是缓步动物门生物的俗称。这是一种小型动物，主要生活在淡水沉渣、苔藓植物水膜和潮湿土壤中，还有一少部分生活在海水潮间带。这些熊虫分布甚广，无论是在海拔6000米以上的喜马拉雅山脉，还是深度4000米以下的深海中，都有他们生活的足迹，北极、热带、温泉、深海中，都有分布。不仅如此，即使在真空中，水熊也可以生存。水熊，这种世界上生命力极强的生物，极难被杀死。水熊是一种小型动物，只能在显微镜下才能观察到。熊虫生命力极强，根据实验数据显示，具体体现在如下四个方面：（1）生存温度，即使在零下200℃的环境中，也能生存3-5天；当温度降至零下272℃时，亦能存活2分钟。（2）生存空气，熊虫在真空中能生存。（3）放射环境，熊虫不惧放射线，在5700格雷强度的放射线下存活良好（1格雷放射线相当于5000台胸透仪的放射强度，10~20格雷强度的放射线就能轻易杀死人类或者地球上大部分的动物）。（3）生存压力，即使在600兆帕的压力环境下也能生存。德国佛莱堡大学的拉姆（20世纪20年代）研究发现，即使将熊虫置于很极端的环境下，只要给予水分和正常温度，熊虫即能复活并且缓慢移动。另有科学家给予盐矿中冬眠数百年的水熊虫水分和营养，水熊虫能够苏醒并恢复。然而，通过以上分析，我们发现，世界上生命力最强的生物，却最多只能承受600mpa的压力和150摄氏度的温度，远远低于人造金刚石的熔媒法所需的静态超高压（50～100kb，即5～10GPa）和高温（1100～3000°C）。同时，我们发现，本身制造金刚石需要高温高压，那么寻找这样一种生物载体，却还是要将金刚石置于高温高压中，并没有从根本上解决问题。因此，从这个角度出发的生物制取金刚石的方法，并没有实际意义。

2.2蚕吐丝、蚌壳生珍珠的启示我们考虑是否能够通过蚕吐丝和蚌壳生珍珠的类似原理来制造金刚石，故首先我们先来分析蚕吐丝和蚌壳生珍珠的原理。蚕吐丝形成的原因：桑叶当中，含有水、蛋白质、糖类、脂肪等成分。蚕吃进桑叶以后，经过消化分解，吸收桑叶中的蛋白质和糖类，造成绢丝蛋白质。绢丝蛋白质再形成绢丝液，绢丝液经过蚕的吐丝和凝固作用，就成了丝茧。天然珍珠形成的原因：关键在于，刺激蚌的外套膜表皮细胞，使其急剧分裂增殖，逐渐形成珍珠囊从而包围刺激源。在此刺激下，蚌壳会分泌珍珠质，从而形成以刺激源为中心的珍珠。若刺激是均匀的，则形成的珍珠是圆球形的，若刺激是不均匀的，则形成的是非圆球形的珍珠。通过以上分析，我们发现，无论是蚕吐丝还是珍珠的形成，都是生物将该种物质的原料消化、整合、重新分泌，并且层层叠加，分泌凝固后从而形成不同形状的新物质。那么联想到这一点，我们考虑，是否有这样一种生物或者生物技术，能够将含C物质分解成C原子并将C原子按照金刚石的微观原子构造进行重新排列，即类似于微观操作技术，从而在常温常压下得到金刚石。鉴于现在化学技术发展水平，已经可以对原子进行操纵和排列，所以，以上想法是有可能实现的。然而，现在自然界中，并不存在一种能够消化含C物质并吸收分泌出C原子层层叠加的生物，故单纯利用自然界已经存在的生物本身特性制造金刚石在目前来看，是不具有实现的可能性的。

2.3实现性分析排除自然界中有生物能制造金刚石的可能之后，我们考虑采用当下火热发展的生物技术来制造金刚石。眼下，现代生物技术迅猛发展，现代生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程，它们逐渐影响着和改变着人们的生产、生活方式。所谓生物技术是指“用活的生物体（或生物体的物质）来改进产品、改良植物和动物，或为特殊用途而培养微生物的技术”。根据前文分析，我们考虑用基因工程的方法来制取金刚石。基因工程要素包括外源DNA、载体分子、工具酶和受体细胞等。首先需要解决的是外源DN段，目前还未发现有生物可以产生碳单质，所以目前外源DN段的获取这一条件还未满足。不过，虽然目前还没有发现这一外源DN段，不过我们大胆的猜想，如果世界上有这样一种基因能够分解含C的化合物，从中得到C单质，并且能够将C单质按照金刚石的排列形状紧密重组、排列。那么就可以将此外源DNA导入受体细胞，利用生物在常温常压下得到金刚石，从而节省工业生产金刚石中提供高温高压而消耗的能源。所以，利用基因工程得到金刚石是有可能的，不过它的实现需要生物工程上的突破，现阶段只能是假设和猜想。此外，可以考虑利用细胞工程、基因工程中，对微观分子、细胞的操作技术，考虑对C原子按照金刚石的排列顺序进行重组排列，从而在常温常压下制取金刚石。

3结论

为了实现利用生物、生物技术制造金刚石的目的：

（1）我们首先考虑寻找耐高温高压的生物，即使世界上生命力最强的生物熊虫，也无法承受人造金刚石所需要的高温高压。而且我们发现，本身制造金刚石需要高温高压，那么寻找这样一种生物载体，却还是要将金刚石置于高温高压中，并没有从根本上解决问题。

（2）其次，我们借鉴蚕吐丝、蚌壳生珍珠的原理，得到常温常压下利用生物技术生产金刚石的思路：将含C物质分解成C原子，按照金刚石的微观排列构造顺序进行排列。

（3）最后，分析了现有的生物技术，并提出可利用基因工程中对基因的改造、细胞工程中对微观物质的操作来生产金刚石。

作者：张真陈杰单位：中南大学