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比較實驗室培育鑽和天然鑽的化學及物理成份



在整個寶石的大家族中,鑽石長久以來一直有著無與倫比的魅力。然而,隨著科技的進步,一個新角色踏上了舞台—實驗室培育鑽。在這次探索中,我們將踏足一段關於鑽石的化學和物理領域的旅程,比較大自然奇觀與其來自實驗室的對應物如何複雜地構成。請各位做好心理準備,迎接這一程科學之旅,它不只會揭示了兩種鑽石之間的差異,更會突顯出它們相似的地方如何把兩者連結起來的。

 


碳的芭蕾舞:組合中的原子

我們先從最基本的結構—碳—開始吧。在鑽石迷人的世界中,碳這一基礎元素是它的核心。無論由大自然那不朽的煉金術所煉成,還是在實驗室裡所創造,天然鑽和培育鑽都由共同的東西組成:晶格結構中周密地排列的碳原子。這種排列不僅見證著簡潔的美,也宣告了它們共有的本質。這些碳原子形成牢固的共價鍵,產生了以其卓越硬度聞名的結晶結構—不管在地表下誕生,還是在受控環境中悉心栽培,這種結構正是使鑽石魅力持久的特質。

 

內含物:天然的特徵vs受控的精密性

鑽石展現其獨特性的其中一種方式,就是內含物—增添其特色的微小瑕疵。天然鑽石會含有礦物、氣泡或其他結晶等內含物,經驗豐富的寶石學家的審視後,這些內含物可以用於追溯該鑽石的來歷。

但在培育鑽的領域中,情況就不同了。受控環境和精準的成長過程通常會生成內含物較少的鑽石。然而,這不致於是完全沒有內含物。實驗室培育鑽仍會含微量元素或微小瑕疵,為每顆寶石賦予其獨特的身份。寶石學家所面對的挑戰,在於要分辨內含物的來源:是天然的?還是實驗室裡加上的?




為寶石調色:從地球的深淵到實驗室的畫布

天然鑽石會展示出多樣的顏色,是因為受到其形成過程中的微量元素或不規則結構影響。例如,氮會令鑽石帶黃,而硼可能產生藍色色調。

在實驗室的受控環境中,科學家可以操控這些因素,為實驗室培育鑽創出特定的色調。無論是無色鑽石的經典,粉紅色或藍色等精緻顏色的魅力,還是黃色和棕色的深度…實驗室所提供的定制程度,即使大自然的本領再高超,始終無法相比。





物理角度的雙胞胎:硬度、密度和導熱性

除了分子結構的複雜性以外,鑽石的物理特質也是其魅力的主要由來。在硬度方面,無論是天然鑽還是培育鑽,兩者都排在莫氏硬度的頂端,足見它們抗刮和抗磨蝕的能力無與倫比。莫氏硬度便於幫助識別礦物。礦物硬度量度的是抵抗刮傷的相對能力,可以用已知硬度的物質,跟要量度的礦物互相刮擦來測量。

這個數字可辨識指標礦物和一些較常用於斷定礦物硬度的常見物件。這種方法對於在現場識別礦物非常有用,因為可以用一些常見的物件(如指甲、硬幣、釘子)來進行測試。這種共同特徵突顯出無論天然還是人工培育,它們都具鑽石應有的強度。

密度,即質量與體積的比例,是天然鑽和實驗室培育鑽之間的基本共通點。無論是地質活動所形成,還是在實驗室中合成,鑽石的密度都大致為每立方厘米3.52克(g/cm³)。這種共同的密度,實在地證明了實驗室如何細緻精確地模擬地幔中那高溫高壓的環境,亦即天然鑽石形成的地方

在導熱性方面,鑽石則是別樹一格。與其他寶石相比,它的導熱能力更為卓越。無論天然與否,鑽石那優越的導熱性都與其晶格結構有著密切關係。

鑽石的熱導率約為2200至2500瓦/米‧開爾文(W/mK)。這數值意味著鑽石具的導熱效能高。鑽石的獨特晶格結構,使熱力能有效地透過緊密結合的碳原子傳遞。

在實驗室環境中,培育鑽的導熱性能夠跟天然鑽媲美的話,便證明仿製成功。無論是高壓高溫(HPHT)還是化學氣相沉積(CVD)的合成方法,都旨在重現天然鑽中的那種晶格結構。

 

折射率

影響鑽石閃爍程度的一個關鍵因素為其折射率。它量度光線進入和離開鑽石時,有多大程度被彎曲或折射。在受控環境中精心製作出的培育鑽,擁有與天然鑽相當的折射率。兩種鑽石都具有較高的折射率,因此它們能散發出璀璨奪目的光芒。

鑽石的折射率通常在2.42左右,這表示這些晶體能有效地折射光線。這種共同特性顯示實驗室能夠成功模擬天然的環境,使培育出的鑽石具有能與天然鑽石相比的耀眼光輝。 

 

色散

色散通常被稱為「火彩」,是鑽石光芒另一迷人之處。它量度鑽石將白光分離成不同光譜的能力。天然鑽和培育鑽具相近的色散,能把光線化開為各種鮮明的顏色,使迷人的色彩從寶石中散射出來。

鑽石的色散大約為0.044,可見實驗室培育鑽和天然鑽將散射光線的能力相當,兩者皆能創造出誘人、閃亮的彩虹。這共同的色散水平,突顯出要成功複製這種決定性的鑽石物理特質,需要對其細節有多深入的觀察和了解。

 

天然鑽vs培育鑽:所有鑽石都平等嗎?

實驗室那受控環境中提創造的鑽石,有著尺寸一致的優勢。在自然界中,要生出較大的鑽石倒需要碰運氣,因當中牽涉到法預測的因素,也有出現內含物的可能,會削弱晶體結構。然而,培育鑽因為經精準培育,生產出的尺寸能更穩定。雖然目前有售的培育鑽最大為20卡左右,但大大小小的研究與開發正不斷嘗試打破這些界限。未來的進展或能使培育鑽在純粹的大小上與天然鑽相媲美。

當然,重量不是價值的唯一衡量。天然鑽的稀有一直以來都是其迷人地方之一。它們的形成需要數以百萬年計,因此是真正的有限資源。培育鑽雖然無法無限繁殖,但在供應上仍更具彈性。這使其價錢更相宜,能觸及更廣泛的大眾。

最終,對於鑽石的重量有多重要,還是取決於你的個人喜好。如果你想要追求破紀錄的巨鑽,那天然鑽仍是這方面的王者。但如果你對實惠的價錢、更道德的鑽石來源和未來的鑽石製造手法感興趣,那培育鑽將會是一個引人入勝的替代方案。

請記住,鑽石的大小只是其魅力的其中一個範疇。無論它們的來源或重量如何,天然鑽和培育鑽都擁有獨特的光彩,等待著大家探索和珍惜。

 

相同一致的交響樂

我們這樣探索過鑽石的世界後,能夠得出一個明確的結論:培育鑽和天然鑽基本上是相同的。儘管它們可能有不同的來源,但它們都有著令人難以置信的美麗、強度和閃亮。製造鑽石的過程和它們的物理特性締造出一份奇妙動人的和諧,使兩者之間的差異難以區分。不管它們來自何方,這些寶石都總是以它們永恆的魅力抓住我們的心。