[讲解]人工红宝石

[讲解]人工红宝石 红宝石(刚玉)制作 2009-03-08 13:04sfq24 | 分类:化学 | 浏览3457次 刚玉的成分主要为α,氧化铝。主要的制作条件是什么, 目前的人工制作工艺是什么, 条件要求，设备需求很高吗, 怎样能尽可能的用较易找到的设备制作, 分享到: 2009-03-08 19:21提问者采纳 1877年法国化学家弗雷米将纯氧化铝粉末、碳酸钾、氟化钡和少量重铬酸钾作原料，在坩埚中经高温熔融8天，获得小颗粒红宝石晶体，这是人造红宝石的开端. 1900年，科学家曾用氧化铝熔后加入少量氧化铬，Cr2O3,按重比0。7%添加的方法，制出了2g~~4g的红宝石。现在，已经能制造大到10g的红宝石和蓝宝石。 1885年在瑞士日内瓦出现一些品质优良的人造红宝石，据说是有天然红宝石碎片，加上增强红色的重铬酸钾等经高温熔融制成，和天然品性质相同.然而真正实现人工制造宝石并能投入规模化生产的要归功于法国化学家维尔纳叶. 维尔纳叶在1891年发明火焰熔融法，并用该法试制人造宝石，成功后又用纯净的氧化铝试验.在高温马弗炉中用倒置的氢氧吹管进行试验，含有少量氧化铬的纯净氧化铝细末慢慢落入火焰中熔化，滴在基座上冷凝结晶.经过十年的努力，1904年维尔纳叶正式制造出了人造红宝石，以后火焰熔融法逐渐完善，生产出的红宝石和天然品几乎无差别.该法一直沿用到现代，至今仍是世界生产人造宝石的主要方法，人称“维尔纳叶法”。现在只要数小时就能制造出100克拉以上的红宝石原石，外观呈倒梨形或胡萝卜形的人造刚玉晶体，质地纯净，颜色透明度甚至超过天然品，经济效益巨大.现代维尔纳叶法不仅能生产从浅粉红色至深红色的红宝石，还能生产各种颜色的蓝宝石，甚至还能生产带有星光的红宝石和蓝宝石，真是巧夺天工. 人造红、蓝宝石不仅在外观上，而且在理化、光学性质上也和天然品完全一致，但价格仅为天然品的1/3到1/20，只有在显微镜下才能发现人造宝石中微小的空气泡呈圆形，天然品中空气泡为扁形这一细微的差别.我国现在的人造刚玉年产量达70t，颜色有红色、蓝色、无色，生产耗电量大，每生产1kg刚玉耗电量在1200至1400kw/h. 人工制造宝石 译者: putin24 原作者:Roberta Kwok 发表时间:2010-06-15浏览量:4007评论数:0挑错数:0 通常情况下。宝石都是由地球的地表以下经过数百万年形成的，但是查特汉姆和其它科学家正在制造宝石。他们是通过模仿发生在地下形成宝石的过程，或采用整个全新的形成过程制造宝石。实验室制造出来的钻石和天然的宝石具有相同的外观和基本化学结构，它们可以在几个月甚至几天内生产出来。 人工制造宝石 (翻译:putin24, 姓名:方晓汾(Fang Shonvon)) 作者:罗伯特塔.卡瓦卡(Roberta Kwok), 卡内基(Carnegie)科学学院. 2010.5.26 汤姆.查特汉姆(Tom Chatham)的办公桌上摆满各式各样的宝石，有红宝石(ruby)，蓝宝石(sapphire)，翡翠(emerald)等等。它们就像散落糖果，其中有些宝石甚至有高尔夫球一般大。 我们坐在旧金山(San Francisco)商业区的一栋楼的第7层，在著名的宝石商城蒂芙妮(Tiffany & Co)的楼上，但是查特汉姆不在商城买宝石，他的公司是在实验室制造宝石和钻石。 图:实验室制造的宝石与天然形成的宝石很相似，这块蓝宝石(sapphire)是查特汉姆实验室制造出来的。 通常情况下。宝石都是由地球的地表以下经过数百万年形成的，但是查特汉姆和其它科学家正在制造宝石。他们是通过模仿发生在地下形成宝石的过程，或采用整个全新的形成过程制造宝石。实验室制造出来的钻石和天然的宝石具有相同的外观和基本化学结构，它们可以在几个月甚至几天内生产出来。 因为这些宝石是在实验室被制造出来的，研究者能对宝石的形成过程进行严格控制，所以实验室制造出来的宝石比天然宝石更纯净。宝石不仅仅是制作首饰的良好材料，也是制造一些工具(激光，钻头等)的材料。实验室制造的钻石能改进科学家们的电子设备和精度更高地检测饮用水中危险细菌。 图: 卡罗.查特汉姆在他父亲的地下室制造出来的第一块翡翠(emerald) 一块偶然的翡翠 制造宝石是不容易的，查特汉姆的父亲卡罗.查特汉姆(Carroll Chatham)，当他还是十几岁的时候，便对制造宝石的问题产生了兴趣。卡罗读了一本关于一个科学家尝试着制造钻石的书，他自己便想试着制造宝石。 卡罗在他的父亲地下室里建了一个实验室，在他的实验中，他加热铁和柔软的黑色石墨，然后把这种熔化的混合物投入到温度很低的液态氮中，结果它爆炸了。 “几乎炸毁了他父亲的家，”汤姆.查特汉姆说，由于爆炸威力强大，它也打破所有在街对面的房子的窗户。 卡罗并没有放弃，他决定尝试制造翡翠。在很长一段时间，他无法得到它。后来有一天，他让实验设备运行着，自己去了大学。当他走后，卡罗的父亲关闭地下室的电源，使得地下室里炼着卡罗的化学混合物的炉子冷却下来。本来这是没有的一个步骤，结果当卡罗回来后，发现了翡翠炼成了。 制造水晶 宝石是最硬的矿物件，在自然界中，一些矿物质在地底下形成，地下炽热的液体岩浆 - 岩浆- 冷却。在液体里的一些原子和分子在不断重复模式下，开始碰撞在一起，形成一个结构叫做水晶。如果矿物是美丽，稳定和稀有的，它就被人们当作是宝石。当矿物被加热，高压，或接触到新的化学元素也会形成宝石。 图:使用化学气相沉积法CVD(chemical vapor deposition)方法，可以相对比较快的 形成钻石. 当火山爆发和山脉形成的时候，宝石被推向了地球的表面，随着时间的推移，岩石分化之后，就露出了宝石。 为了在实验室制造宝石，研究者们模拟了宝石在地球地表下形成的过程，每块都有一定化学成分的配方，例如:翡翠是由铝的氧化物(aluminum oxide)、铍(beryllium)、硅(silica)和一些铬(chromium)构成，红宝石包含铝的氧化物和一点点铬。 科学家通常熔化这些构成宝石的成份，或者溶于水或其它化学溶剂中，再把混合物加热到1000摄氏度—煮沸水的温度的十倍。液体慢慢冷却，冷却的过程是消耗掉在混合物的原子和分子之间的能量，使得它们聚集到一起形成晶体，晶体不断慢慢生长变大，就像砖块不断地堆积，形成房子一样。 由于他们含有相同的成分，所以很难分辨出实验室制造出来的宝石和自然界形成的宝石差别，但是它们有细微的差别。位于美国新墨西哥州东南部的卡尔斯巴德(Carlsbad)，一位宝石研究所的地质专家詹姆士.史格雷(James Shigley)说，例如，许多天然宝石包含少量的水分，但是一些实验室制造出来的宝石没有。 在宝石形成过程中，其它物质也被包含在宝石中形成，我们叫它们为夹杂物。由于科学家控制晶体生长的条件，实验室制造出来的宝石具有极少的夹杂物。“天然宝石表达着地球一次幸运的意外”史格雷说。 巨大的挤压 钻石与其它宝石有些不同，因为它的形成过程需要巨大的压力。想像一下埃菲尔铁塔倒过来，尖端朝下，所有的重量都压在几厘米宽的区域的压力。位于美 国纽约市的自然历史博物馆的矿物专家，乔治.哈洛(George Harlow)说，这就是天然钻石在很深的地底下形成所需要的压力。 并且钻石只有碳(carbon)一种化学元素构成，一种在所有生物体内都具有的元素。如果你一层层地像纸一样排列碳原子，就能得到石墨(graphite)—它是一种非常柔软的材料，在铅笔的笔芯中就有这种物质。但是如果你让每一个碳原子连接四个碳原子构成一种三维的结构，就能得到钻石—它是一种极度强硬的物质。 图:先进钻石公司(Advanced Diamond Technologies Inc)使用钻石开发出能够检测饮用水中细菌和产生信号的微型传感器. 在美国佛罗里达州西部城市萨拉索塔(Sarasota)，一个叫戈麦斯(Gemesis)的公司具有几百台的钻石制造机器。科学家们使用一块很小的钻石作为“种子”，他们把它放进一个含有石墨和一些秘密的其它化学混合物的陶瓷容器中，合上容器，用金属块夹住它，并加热。 当石墨熔解了，石墨就分解成一个个单独的原子，这些原子就贴到“种子”上，“种子”就开始生长了—钻石就慢慢变大。戈麦斯(Gemesis)公司的技术与工程副总裁卡尔.帕尔逊(Karl Pearson)说:“四天后就出来了一颗钻石”。 使用微波技术产生钻石 其它研究人员使用了一种与天然钻石形成方式完全不同的方法，这个过程叫化学气相沉积法CVD(chemical vapor deposition)，简称CVD。使用CVD技术，科学家能更快地制造出更大的钻石，他们还制造出能在高科技设备中使用的金刚石薄膜。 在美国华盛顿(Washington, D.C.)的卡内基科学学院(Carnegie Institution for Science)的研究者们已经使用CVD很多年了，他们把一块很小的钻石“种子”放进一个容器内，并抽完容器内的空气，然后充入氢气(hydrogen)和甲烷(methane)，甲烷中含有碳原子和氢原子。 “然后我们用微波处理它”在该实验室的材料科学家乔.莱(Joe Lai)说。微波处理就像你用家里的微波炉加热食物一样，只是这里使用的微波，功率要大一些。氢原子和碳原子分开，然后形成一个很亮很热的气球，碳原子就连接到钻石“种子”，使得钻子越来越大。 卡内基的研究者们改进了CVD方法，使得钻石能够生长的更快。2002年，他们演示了他们的CVD方法在生成钻石晶体时候，能比原来的方法快100倍。这个团队研究者在其中加入硼(boron)这种化学元素，制造出比天然钻石还要硬的钻石。硼使得钻石的缝隙不再扩大，所以把钻石打破就变得更难。 纹身、牙齿和手机 实验室制造出来的宝石不仅仅是戒子和项链，例如一些超市使用蓝宝石制作的扫描器，当收银员需要知道物品的价格的时候，例如，一箱饼干，激光束通过蓝宝石板照射到包装盒上的条形码。没有蓝宝石，这块板很容易被磨损，而使得扫描器没法正常工作。 实验室制造的钻石在饮用水中辅助寻找细菌，细菌是很微小的生物，我们使用眼睛都不能看到，其中一些细菌能使得我们生病。 约翰.查理斯尔(John Carlisle)的公司与美国威斯康辛麦迪逊分校(University of Wisconsin–Madison)和在伊利诺伊大学(University of Illinois) 的香槟分校(Urbana-Champaign)合作，对微型传感器进行研究，这些传感器能检测细菌，传感器使用钻石形成微型的潜水板，使用潜水板去捕捉细菌，潜水板被包裹着分子，能够把细菌粘住。 人们可以把这些传感器放在污水处理厂或者放在家里水中，如果细菌卡住了，潜水板会振动地比平时慢，这样就发送了一个电子信号告诉人们，这样的水不适合饮用。 如果潜水板用其它材料制造出来，例如硅或黄金(silicon or gold)，分子捕捉细菌一段时间后就会失效。但是如果是钻石制造，分子能保持捕捉状态，所以研究者能把传感器放在水里保持很久一段时间。 实验室制造出来的钻石比天然钻石更好的适用高科技设备，因为它能更容易的获得所需要的形状和大小的大量的钻石。这些钻石能够用在一些能让盲人看得见的设备，军队的雷达设备，发送不能解码的秘密信息的先进计算机上。“它具有101种使用方法” 约翰.查理斯尔(John Carlisle)说。 , 频道: , 科技 宝石人工合成技术(第2版)