来自太空的“钻石”，教你如何鉴别人造钻石丨科普硅立方
2020-08-23
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。
图1 均匀、致密、完整的“火龙果结构”（图片来自网络）
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）
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。
图5 有容器与无容器技术的对比
