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隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)合成的產(chǎn)品愈來(lái)愈極致，要么從無(wú)到有，要么高度模仿天然產(chǎn)物。在材料科學(xué)家的眼中，合成均勻、致密、完整的材料，比如火龍果結(jié)構(gòu)（圖1），是一種追求。理想是美好的，然而，在地球上，由于重力的存在，在材料中常常會(huì)發(fā)生沉降現(xiàn)象（圖2），無(wú)法得到完美的材料。

圖1 均勻、致密、完整的“火龍果結(jié)構(gòu)”（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

圖2 地面上材料中常見(jiàn)的沉降現(xiàn)象（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

為了解決這個(gè)問(wèn)題，一小部分飽受地球重力困擾的材料科學(xué)家，似乎想要掙脫地球母親的“束縛”，而想到了外太空環(huán)境，并由此開(kāi)創(chuàng)了空間材料科學(xué)。（需要注意的是：太空中并非沒(méi)有引力，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，任何兩個(gè)物體之間都存在引力，只是離開(kāi)地面上升到太空中，與地心的距離變遠(yuǎn)了，因此來(lái)自地球的引力變?nèi)趿恕＃┞斆鞯目茖W(xué)家們利用外太空的特殊環(huán)境，開(kāi)展了材料研究，期待合成完美的材料。

圖3 科學(xué)家的困擾（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

圖4 地球的困擾（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

空間是生長(zhǎng)特殊材料的理想環(huán)境，具有避免沉降、消除器壁、解決材料的分凝問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。然而，航天發(fā)射的成本非常高昂，在太空中進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)不見(jiàn)得合適。不過(guò)，這點(diǎn)小困難可難不倒足智多謀的科學(xué)家們，他們選擇在地面上開(kāi)發(fā)許多新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)模擬太空中的特殊效應(yīng)，其中，懸浮無(wú)容器技術(shù)就可以模擬太空中的消除器壁效應(yīng)。

圖5 有容器與無(wú)容器技術(shù)的對(duì)比

無(wú)容器技術(shù)，是利用外界物理場(chǎng)產(chǎn)生的作用力來(lái)抵消物體的重力，從而使物體處于一個(gè)無(wú)接觸、無(wú)容器的狀態(tài)。材料學(xué)家利用懸浮無(wú)容器技術(shù)制備了一系列新型高折射玻璃，這種玻璃的折射率最高可以與鉆石一樣，鉆石之所以看上去五彩斑斕、晶瑩似火，還呈現(xiàn)燦爛的金剛光澤，就是因?yàn)榫哂蟹浅８叩恼凵渎?。然后按照鉆石的切割打磨工藝，進(jìn)行拋光打磨，就能得到和鉆石一樣璀璨奪目的“人造鉆石”啦（圖6）。如果對(duì)仿鉆玻璃摻雜不同的稀土元素，還可以得到不同顏色的漂亮高仿鉆石。材料學(xué)家制備高仿鉆石可不是最終目的，除此之外，這種特殊的玻璃還在手機(jī)攝像頭、高密度存儲(chǔ)、光通信等高科技領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。

圖6 來(lái)自“太空”的仿鉆玻璃

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工合成的材料在性能、結(jié)構(gòu)等方面，越來(lái)越接近天然鉆石，“真假”難辨。如何鑒別人造鉆石，就成為人們關(guān)心的熱點(diǎn)話題?！般@石恒久遠(yuǎn)、一顆永流傳”，鉆石常被視為定情信物，稍有不慎，就會(huì)造成重大影響。鑒別天然鉆石和人造鉆石，常常依據(jù)材料性質(zhì)的不同。

鉆石在天然礦物中硬度最高，是公認(rèn)的“寶石之王”，莫氏硬度為10（莫氏硬度是表示礦物硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)，用刻痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所測(cè)試礦物的表面，并測(cè)量劃痕的深度，該劃痕的深度就是莫氏硬度，一般用1-10表示，滑石的莫氏硬度為1，最??；金剛石為10，最大），折射率為2.42，色散值為0.044。

圖7 常見(jiàn)礦物莫氏硬度表（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

雖然新型玻璃的折射率可以和鉆石一樣，但是鉆石還有其他優(yōu)異的性能，比如非常高的熱導(dǎo)率和硬度。鑒別天然鉆石和仿鉆玻璃，主要依據(jù)熱導(dǎo)率的不同，只需要用手摸一下就知道，感覺(jué)涼涼的，應(yīng)該是天然鉆石，沒(méi)什么感覺(jué)的，應(yīng)該就是仿鉆玻璃。然而，許多單晶材料仿鉆的各項(xiàng)性能都與鉆石類(lèi)似，不借助儀器設(shè)備和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，很難鑒別。這類(lèi)仿鉆單晶體材料大多數(shù)是通過(guò)高溫高壓或化學(xué)氣相沉積的方法合成的，下面為大家介紹仿鉆單晶體材料大家族中常?；钴S在大家視線里的五朵金花。

大姐——合成碳化硅

合成碳化硅，又名莫桑石，成分與鉆石不一樣，性能很相似。莫桑石的折射率比鉆石高，莫氏硬度為9.25，光澤度比鉆石略高，火彩是鉆石的兩倍多（火彩大多數(shù)由材料對(duì)白光的色散引起的，色散越大，火彩越明顯，看上去越璀璨奪目）。因此，可通過(guò)火彩來(lái)鑒別莫桑石和鉆石（圖8）。

圖8 你能分辨出來(lái)嗎？（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

二姐——合成立方氧化鋯

合成立方氧化鋯是當(dāng)前最常見(jiàn)的高仿鉆石，最早由前蘇聯(lián)合成，在合成過(guò)程中可以通過(guò)添加其他元素來(lái)調(diào)制仿鉆的顏色。折射率可以達(dá)到2.1，火彩度為0.060，莫氏硬度為8.5，在折射率、硬度、火彩等方面都與鉆石接近。那么，如何有效地分辨兩者呢？

沒(méi)有什么能夠難倒機(jī)智的科學(xué)家們，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的不同點(diǎn)，那就是密度。立方氧化鋯的密度是鉆石的1.6-1.7倍，只需要測(cè)量一下密度，就可以將兩者區(qū)分開(kāi)來(lái)。此外，兩者的導(dǎo)熱能力也不同，通過(guò)觸摸感知導(dǎo)熱性能，就能大致區(qū)分兩者。另外，還有一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)識(shí)別兩者。在桌面上畫(huà)一條直線，將立方氧化鋯和鉆石分別放在直線上，尖部朝上，從上往下看，立方氧化鋯能看到一條弧線，而鉆石什么也看不到（圖9）。

圖9 天然鉆石——左or右？ （圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

三姐——釓鎵石榴石

三姐釓鎵石榴石是一種人工合成的晶體，學(xué)名Gd3Ga5O12，小名GGG，為等軸晶系。無(wú)色釓鎵石榴石看上去很像鉆石，折射率最高可達(dá)2.03，火彩度為0.045，莫氏硬度最高可達(dá)到7，密度為7.05g/cm3，是鉆石的2倍，簡(jiǎn)單地通過(guò)硬度或密度就可以將釓鎵石榴石與鉆石區(qū)分。

四妹——鈦酸鍶

鈦酸鍶的化學(xué)式為SrTiO3，為一種人工合成的晶體，等軸晶系，1953年出生，顏色與鉆石接近。鈦酸鍶的折射率可達(dá)到2.409，火彩度為0.190，密度為5.13g/cm3，莫氏硬度最高為6。鈦酸鍶的火彩要明顯高于鉆石，硬度比鉆石低很多，甚至用鋼針都可以劃傷鈦酸鍶。

小妹—合成金紅石

合成金紅石的化學(xué)式為T(mén)iO2，一般為淺黃色，也有呈現(xiàn)明亮的藍(lán)色或紅色，難以形成無(wú)色。密度為4.26g/cm3，折射率很高，可達(dá)2.903，具有雙折射性能，莫氏硬度為6，火彩度達(dá)到0.33，非常高。由于具有雙折射，在放大鏡下具有很強(qiáng)的重影。合成金紅石的火彩在寶石材料中是最高的，炫彩奪目（圖9）。

圖10 合成金紅石（左）和鉆石（右）的火彩特征（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

來(lái)源：中科院之聲

編輯：米老貓

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來(lái)源：新華號(hào) 中科院物理所