说起珠宝的真假,那是很多个命题规律的组合。既然诸君对优化合成有不少的了解……那合成宝石也免不了要提上学习日程!

具体来说,合成宝石像李鬼一样,具有所有李逵的特征(几乎具有天然矿物的所有化学、光学和物理特性材料),但他就不是李逵(天然宝石),也没李逵那么有价值(价格的贵贱)。

唯一的区别是,合成宝石投错了胎——它是一种在实验室中制造的材料。特别地,如合成绿松石和合成蛋白石等中,还掺杂了其他化合物。(可能是女装李鬼吧)

合成宝石在19世纪晚期就开始制造,主要应用在工业生产中。科研人员比较熟悉的某些精密仪器中,就有合成刚玉薄片的存在。

最早问世的合成宝石是焰熔法合成红宝石,主要用于用于通信和激光技术、微电子和磨料等工业领域。

熔法通过在高温火焰中投料(宝石对应的化学成分和着色剂,均呈粉末状)融化粉末,在旋转基座上结晶形成长柱状梨形晶体。整体操作简单粗暴。你有宝石粉,我来帮你变宝石。

焰熔法合成的晶体生长速度快、设备简单、成本低,因而成为合成宝石界的“性价比之王”,被广泛地用于刚玉、尖晶石等宝石的合成中。

“人无完人”。这种快速(极速违背大自然生长规律)的做法使晶体上出现了大量缺陷,很容易识别。

第一,未切磨晶体之前,所有的焰熔法合成宝石均呈梨形。天然的宝石则有棱有角,是非分明——比如天然刚玉的六方柱状晶形,尖晶石的八面体晶形等。

第二,焰熔法合成的晶体中可能有蝌蚪状气泡、未熔粉末、弯曲生长线等内部特征。

第三,吸收光谱的差异:如合成蓝宝石没有450nm吸收带(天然存在450nm,460nm,470nm吸收带);合成蓝色尖晶石有特殊的Co谱。

第四,紫外荧光也存在差异。比如合成蓝宝石有微弱荧光,而天然的无荧光(很难看到!!);合成红宝石的荧光非常强,亮瞎眼睛,很容易看到!

二十世纪初,和焰熔法风格很相似但更胜一筹的提拉法问世了。刚玉、尖晶石、变石、钇铝榴石(YAG)、钆镓榴石(GGG)等都是可用此法合成的宝石。

提拉法也是将粉末原料高温熔化之后生成。不同的点是,提拉法存在初始的籽晶,在装上定向的籽晶后,降下籽晶杆,接种、放肩然后提拉形成等径生长晶体。

在籽晶上与同等组成的熔体相接触,通过缓慢提拉籽晶使其结晶。晶体生长而形成圆柱状的晶体。

这种方法在生长过程中易于观察,能人为掌控合成速率和大小,因此品质相对高,也给鉴别带来一定的困难。

第一,如未熔粉末、云朵状气泡或不均匀的糊状生长纹在内的特征并不易观察到。能观察到者,凤毛麟角。

相比较而言,铂金片是概率略大被观察到的内含物。但其他方法也会有铂金片出现,所以,这也不是唯一的鉴定特征。

这种方法在XRF或EPMA检测钼、钨、铱、铂等元素下都可现原形,但对于普通人来说太大费周章了。

助溶剂法的风格和前两者完全不一样,用生活中的例子来说,助溶剂熔化其他原料就像水溶解糖。

换句话说,这种方法就需要将宝石原料在高温下溶解于低熔点的助溶剂中,缓慢降温蒸发溶剂,在混合液体达到过饱和时,宝石析出生长。

这种方法的优势在于对所有材料适用,即宝石合成界的“海王”;因生长温度低,基本模拟天然过程,所以除长出完整的晶体之外,其内含物特征与天然宝石很相似;简单的操作技术也成为受吹捧的原因。

成也萧何败也萧何。尽可能模拟天然的过程拉长了整个晶体生长的周期,且生长出的晶体尺寸很小。by the way,提拉法非常适合有耐心有恒心有毅力,“铁杵磨成针”的工厂。

第二,内部可见残余包体、助溶剂残余和气泡组成的气固包体、铂金片、籽晶片等内部特征。

助溶剂法合成红宝石(左)和焰熔法合成红宝石(右)的晶体-刻面宝石对比 GIA

美国的查塔姆、法国的吉尔森、日本的拉姆拉等公司都有专门的合成祖母绿业务。

水热法和助溶剂法有相似的idea,他们都想模拟天然的环境完成更完美宝石的合成。如祖母绿、水晶、刚玉等宝石都会采用这种办法合成。

水热法的生长过程全程均在封闭体系中进行,所以不直观且不可控,技术难度大,成本高。

水热法将原料置于封闭的高压釜中,利用高温高压的水溶液使难溶的物质溶解,通过高压釜内溶液的温差使产生对流形成过饱和状态,在高压釜上端温度较低的部位,围绕预先设置的籽晶长出晶体。

这种方法靠可旋转的绝热石英管和高频加热线圈完成合成过程。在石英管中添加所需合成晶体的混合配料,启动高频加热线圈,至温度达到所需温度时,管内的配料发生熔融,移开高频加热线圈时,熔化部分又冷却结晶,这即是“熔炼”过程。由于高频线圈的加热总是局部进行,即是合成方法中“区域”的来历。

CVD法,即“化学气相沉积法”(Chemical Vapor Deposition),是将碳氢化合物(甲烷、乙炔等)所产生的气体与氢气混合,在一定条件下使碳氢化合物离解,在等离子态时产生碳离子,并在金刚石衬底上生长出金刚石。

CVD法合成钻石大多呈黄色、渴黄色(大多数)具沙漏状色带,和天然钻石不同。其晶形多为板状-板柱状。

HPHT法即高温高压法(High Pressure and High Temperature)。合成钻石是利用高温超高压设备,使粉末状原料在高温超高压条件下,产生相变和熔融而结晶生长晶体的方法。

HPHT钻石在颜色饱和度高时具有“砂钟状”图案,内部可见不同形状的Fe-Ni包裹体残余和较规则的籽晶幻影。

HPHT钻石在短波下有黄-橙黄-绿黄色荧光;在阴极发光下可见规则的图案。

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