博洛尼亚石
在17世纪，一位叫文森佐·卡斯基亚罗洛（Vincenzo Casciarolo）的意大利鞋匠兼业余“炼金术士”试图熔炼他在博洛尼亚附近的帕德诺山的山坡上发现的一些特别致密的石头。熔炼的过程没有出现金或银等贵重金属，但是在石头冷却后，他发现了一件有趣的事情：如果把这些石头暴露在阳光下一段时间后，再带到一个黑暗的房间中，石头就会自己发光。
博洛尼亚石
这跟中国古代珍贵的“夜明珠”不太一样，这种被称为“博洛尼亚石”的材料，是第一种人工制备的持续发光物质。在今天，更多的被人工制备出来的持久发光材料，被应用于装饰、应急照明、路面标识和医疗成像中。
那么，我们是否可以把这些持久发光材料，用在城市夜间照明中，以更好地节省能源呢？
实际上，科学家们一直都在为实现这种目标而努力。新一代的发光材料有可能通过重新发射本会转化为热量的光来为城市节省能源。发光的人行道、发光的路标甚至发光的建筑物都可以取代一些街道照明。欧洲的一些城市已经安装了发光的自行车道，一些研究人员已经研究了在道路标记上使用发光的油漆。
“这对环境更有利，”保罗·贝尔达尔 （Paul Berdahl）说，他是一位环境物理学家，现已从美国加州伯克利的劳伦斯伯克利国家实验室退休。“如果技术可以改进，我们可以使用更少的能源……这是一件值得做的事情。”
博洛尼亚石是矿物重晶石的一种形式，当时吸引了自然哲学家，但从未被大规模使用。但在20世纪90年代，化学家开发了新型持久性光致发光材料，如铝酸锶，这种材料在暴露于光照后数小时内仍保持强烈发光。这些新材料大多会发出蓝色或绿色的光芒，但也有一些会发出黄色、红色或橙色的光芒。
这种发光材料的工作原理是“捕获”光子的能量，然后以较低波长的光重新发射能量。有时光会立即发出，如荧光灯泡。这些材料能在数小时内发出强烈的辉光，为人们提供了各种可能性，例如由发光的人行道和建筑物照亮的城市。建筑工程师安娜·劳拉·皮塞洛（Anna Laura Pisello）称，由于全球19%的能源用于照明，而在欧洲，约1.6%专门用于街道照明，因此发光材料的节能潜力很大。
各种发光材料的使用数据：通过a）作为发光中心的痕量物质进行分组；b） 宿主化合物；和c）材料发出的颜色。
目前科学家们要解决的一个问题是，大多数发光材料不会在夜间一直发光。但更好的材料可以帮助解决这个问题，同时，现有的材料可以与电照明结合，在再次关闭之前，电照明将持续足够长的时间，为道路标线充电。科学家们发现，通过这种方式，发光材料可以将城市照明所需的能量减少约27%。
如果有人担心整个城市彻夜通明，增加有害的光污染，发光材料正好可以解决这种问题。因为发光材料只会取代现有的照明，而不会增加照明。发光材料的颜色可以选择，剔除蓝色光——这种光已被证明特别有害于野生动物。
发光材料也有助于对抗所谓的城市热岛效应。屋顶和人行道吸收来自太阳的能量，并将其作为热量释放，使得城市夏季的平均温度比周围农村高7.7摄氏度。高温是一种潜在的健康危害，也会导致更多的能源被用于冷却建筑物。一个越来越普遍的解决方案就是使用反射光线的“冷”材料，如白色油漆和浅色沥青。事实证明，添加发光材料可以起到更大的作用。
在劳伦斯伯克利实验室，科学家们用合成红宝石（一种在阳光下发光的材料）进行了实验，以制备保持凉爽的彩色涂层。在早期的实验中，他们报告说，红宝石色的表面在阳光下比没有特殊色素的类似颜色的材料更凉爽。更进一步，科学家们在混凝土中添加了几种持久发光材料——能够储存光能并缓慢释放光能的材料。与相同颜色的非发光表面相比，其中最好的表面可在晴天将周围空气温度降低3.3℃。
目前已知的发光材料有250种，其中许多尚未进行实际应用研究。发光油漆和人行道可能会使用更长的时间，并以更多的颜色发光。从长远来看，新型工程材料的效果可能会更好。例如，人们可以转向“量子点”——可以发光的微小半导体粒子，已经用于生物成像。
上期小编介绍优化处理宝石时，不小心给自己挖了个坑。
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！
什么是合成宝石？
合成宝石和天然宝石有点像李逵和李鬼的关系。
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。
01
焰熔法
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。
焰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。
焰熔法合成刚玉 GIA
焰熔法合成尖晶石 GIA
“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。
梨形晶体的合成星光蓝宝石 GIA
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。
焰熔法合成红宝石雁行状裂隙 YZJ
焰熔法合成刚玉弯曲生长纹及气泡 GIA
焰熔法合成蓝宝石中的气泡 GIA
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！
焰熔法合成红宝石荧光强烈 GIA
第五，折射率。这一条只针对合成尖晶石，其合成后折射率稳定在1.727。
02
提拉法
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。
提拉法合成红宝石 GIA
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。
提拉法合成红宝石中极细平行细纹 GIA
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。
提拉法合成尖晶石中的未熔粉末和铂金片 GIA
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。
03
助溶剂法
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。
助溶剂法合成红宝石中的羽状体 GIA
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。
助溶剂法合成原理
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。
助溶剂法合成祖母绿的羽状体 YZJ
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。
如祖母绿、刚玉、变石等宝石都可以用这种方法合成，其鉴别的特征主要是：
助溶剂法合成红宝石鲜艳颜色，平直生长纹 GIA
第一，如合成红宝石会有过于鲜艳的颜色，且分布均匀。
助溶剂法合成红宝石的铂金片 GIA
助溶剂法合成祖母绿助溶剂残余 GIA
助溶剂法合成祖母绿中的海藻状助熔剂残余 YZJ
助溶剂法合成红宝石的助熔剂残余 GIA
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。
04
水热法
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。
水热法合成水晶，可见中央的种晶板、面包渣状雏晶和表面水波纹 YZJ
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。
但合成的宝石内部包裹体与天然宝石十分相似，也吸引人不断探索。
水热法合成红宝石中的细小钉状包体
水热法合成红宝石中的水波纹状包体
水热法合成祖母绿中的钉状体
水热法合成水晶，色带平行于种晶板分布
05
区域熔炼法
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。
区域熔炼法合成金绿宝石
这种方法可以用于生产合成刚玉和变石等宝石。
06
CVD法合成钻石
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法合成钻石装置
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。
CVD法合成钻石的荧光
在吸收光谱方面，缺失自然钻石中无色－浅黄色系列415nm的吸收线。
CVD法合成钻石（左）和高温高压合成钻石（右）GIA
07
HPHT法合成钻石
高温高压合成钻石原理
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。
高温高压合成钻石 GIA
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。
高温高压合成钻石中的金属残留物
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。
合成钻石在阴极发光下显示规则图案 GIA
其他如冷坩埚法合成立方氧化锆、液相沉淀法合成欧泊等在此不再赘述。
合成欧泊
合成欧泊的蜂窝状结构
合成欧泊的镶嵌状色斑
THE
END
美编：杨梓涓
校对：张 崧
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