来自太空的“钻石”,教你如何鉴别人造钻石丨科普硅立方

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编者按:中科院之声与中国科学院上海硅酸盐研究所联合开设“科普硅立方”专栏,为大家介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们将带你——认识晶格,挑战势垒,寻觅暗物质,今古论陶瓷;弥补缺陷,能级跃迁,嫦娥织外衣,溢彩话琉璃。

随着科技的发展,人类合成的产品愈来愈极致,要么从无到有,要么高度模仿天然产物。在材料科学家的眼中,合成均匀、致密、完整的材料,比如火龙果结构(图1),是一种追求。理想是美好的,然而,在地球上,由于重力的存在,在材料中常常会发生沉降现象(图2),无法得到完美的材料。

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图1 均匀、致密、完整的“火龙果结构”(图片来自网络

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图2 地面上材料中常见的沉降现象图片来自网络

为了解决这个问题,一小部分饱受地球重力困扰的材料科学家,似乎想要挣脱地球母亲的“束缚”,而想到了外太空环境,并由此开创了空间材料科学。(需要注意的是:太空中并非没有引力,根据万有引力定律,任何两个物体之间都存在引力,只是离开地面上升到太空中,与地心的距离变远了,因此来自地球的引力变弱了。)聪明的科学家们利用外太空的特殊环境,开展了材料研究,期待合成完美的材料。?

图3 科学家的困扰图片来自网络

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图4 地球的困扰图片来自网络

空间是生长特殊材料的理想环境,具有避免沉降、消除器壁、解决材料的分凝问题等优点。然而,航天发射的成本非常高昂,在太空中进行大规模生产不见得合适。不过,这点小困难可难不倒足智多谋的科学家们,他们选择在地面上开发许多新型实验技术来模拟太空中的特殊效应,其中,悬浮无容器技术就可以模拟太空中的消除器壁效应(图5)。

无容器技术,是利用外界物理场产生的作用力来抵消物体的重力,从而使物体处于一个无接触、无容器的状态。材料学家利用悬浮无容器技术制备了一系列新型高折射玻璃,这种玻璃的折射率最高可以与钻石一样,钻石之所以看上去五彩斑斓、晶莹似火,还呈现灿烂的金刚光泽,就是因为具有非常高的折射率。然后按照钻石的切割打磨工艺,进行抛光打磨,就能得到和钻石一样璀璨夺目的“人造钻石”啦(图6)。如果对仿钻玻璃掺杂不同的稀土元素,还可以得到不同颜色的漂亮高仿钻石。材料学家制备高仿钻石可不是最终目的,除此之外,这种特殊的玻璃还在手机摄像头、高密度存储、光通信等高科技领域具有非常好的应用前景。

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图5 有容器与无容器技术的对比

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图6 来自“太空”的仿钻玻璃

随着科学技术的发展,人工合成的材料在性能、结构等方面,越来越接近天然钻石,“真假”难辨。如何鉴别人造钻石,就成为人们关心的热点话题。“钻石恒久远、一颗永流传”,钻石常被视为定情信物,稍有不慎,就会造成重大影响。鉴别天然钻石和人造钻石,常常依据材料性质的不同。

钻石在天然矿物中硬度最高,是公认的“宝石之王”,莫氏硬度为10(莫氏硬度是表示矿物硬度的一种标准,用刻痕法将棱锥形金刚钻针刻划所测试矿物的表面,并测量划痕的深度,该划痕的深度就是莫氏硬度,一般用1-10表示,滑石的莫氏硬度为1,最小;金刚石为10,最大),折射率为2.42,色散值为0.044。

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图7 常见矿物莫氏硬度表图片来自网络

虽然新型玻璃的折射率可以和钻石一样,但是钻石还有其他优异的性能,比如非常高的热导率和硬度。鉴别天然钻石和仿钻玻璃,主要依据热导率的不同,只需要用手摸一下就知道,感觉凉凉的,应该是天然钻石,没什么感觉的,应该就是仿钻玻璃。然而,许多单晶材料仿钻的各项性能都与钻石类似,不借助仪器设备和专业知识,很难鉴别。这类仿钻单晶体材料大多数是通过高温高压或化学气相沉积的方法合成的,下面为大家介绍仿钻单晶体材料大家族中常常活跃在大家视线里的五朵金花。

大姐——合成碳化硅

合成碳化硅,又名莫桑石,成分与钻石不一样,性能很相似。莫桑石的折射率比钻石高,莫氏硬度为9.25,光泽度比钻石略高,火彩是钻石的两倍多(火彩大多数由材料对白光的色散引起的,色散越大,火彩越明显,看上去越璀璨夺目)。因此,可通过火彩来鉴别莫桑石和钻石(图8)。

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图8 你能分辨出来吗?图片来自网络

二姐——合成立方氧化锆

合成立方氧化锆是当前最常见的高仿钻石,最早由前苏联合成,在合成过程中可以通过添加其他元素来调制仿钻的颜色。折射率可以达到2.1,火彩度为0.060,莫氏硬度为8.5,在折射率、硬度、火彩等方面都与钻石接近。那么,如何有效地分辨两者呢?

没有什么能够难倒机智的科学家们,科学家发现了一个巨大的不同点,那就是密度。立方氧化锆的密度是钻石的1.6-1.7倍,只需要测量一下密度,就可以将两者区分开来。此外,两者的导热能力也不同,通过触摸感知导热性能,就能大致区分两者。另外,还有一种简单的方法来识别两者。在桌面上画一条直线,将立方氧化锆和钻石分别放在直线上,尖部朝上,从上往下看,立方氧化锆能看到一条弧线,而钻石什么也看不到(图9)。

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图9 天然钻石——左or右??图片来自网络

三姐——钆镓石榴石

三姐钆镓石榴石是一种人工合成的晶体,学名Gd3Ga5O12,小名GGG,为等轴晶系。无色钆镓石榴石看上去很像钻石,折射率最高可达2.03,火彩度为0.045,莫氏硬度最高可达到7,密度为7.05g/cm3,是钻石的2倍,简单地通过硬度或密度就可以将钆镓石榴石与钻石区分。

四妹——钛酸锶

钛酸锶的化学式为SrTiO3,为一种人工合成的晶体,等轴晶系,1953年出生,颜色与钻石接近。钛酸锶的折射率可达到2.409,火彩度为0.190,密度为5.13g/cm3,莫氏硬度最高为6。钛酸锶的火彩要明显高于钻石,硬度比钻石低很多,甚至用钢针都可以划伤钛酸锶。

小妹—合成金红石

合成金红石的化学式为TiO2,一般为浅黄色,也有呈现明亮的蓝色或红色,难以形成无色。密度为4.26g/cm3,折射率很高,可达2.903,具有双折射性能,莫氏硬度为6,火彩度达到0.33,非常高。由于具有双折射,在放大镜下具有很强的重影。合成金红石的火彩在宝石材料中是最高的,炫彩夺目(图9)。

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图10 合成金红石(左)和钻石(右)的火彩特征图片来自网络

钻石代表了集各种极限性能于一身的一类完美材料,也是人类摆脱地球重力影响,利用太空开展材料科学研究所追逐的目标。通过长期对太空特殊环境的认识和探索,材料科学家在地面开发了一系列新型实验技术,研究出了新型材料。但是,现有合成或加工的各类仿钻材料,都难以像钻石一样完美。从太空到仿钻,原来航天可以这么玩,哈哈,有兴趣的朋友可以关注中国载人空间站的空间材料事业的发展哦,说不定还有更新鲜的事物出现呢。

来源:中国科学院上海硅酸盐研究所

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