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实验室里如何“培育钻石”?

admin 人造钻石 2021年07月29日

  在南京太平南路的一家珠宝店里,不少年轻人正选购心仪的钻石饰品。“我们这里出售的是培育钻石,成分和天然钻石一样,但价格却只有天然钻石的一半不到。”让年轻人轻松实现“克拉梦”,培育钻石果真如宣传所说和天然钻石无区别吗?南京市产品质量监督检验院、国家金银制品质量监督检验中心(南京)黄文清博士近日接受《科技周刊》记者专访。

  “培育钻石是指在实验室通过一定的技术与工艺流程制造出来的、由碳原子组成的宝石级单晶金刚石。它的物理性质、化学成分以及晶体结构跟自然界产出的天然钻石相同,又被称为‘实验室培育钻石’或者‘合成钻石’。”黄文清举了一个形象的例子,如果把天然钻石比作南极的冰,那么培育钻石就可以视作为冰箱里的冰。“一个是在自然地质过程中形成的,而另一个是在实验室中人工培育出来的,两者本质相同,只是形成过程不同。”黄文清指出,这也就意味着,培育钻石与莫桑石(主要成分为碳化硅)或者锆石(主要成分为硅酸锆)有着根本上的不同。

  和天然钻石本质相同,为何价格却便宜很多?答案在于培育技术的不断改进。黄文清告诉《科技周刊》记者,数据显示,生产一颗1克拉、颜色级别为G、净度级别为VS的培育钻石,2008年成本约为4000美元,而到了2018年则只需要约400美元,10年的时间,成本降低了约90%。

  “目前培育钻石主要有两种制备方式,分别是高温高压法(简称HTHP法)和化学气相沉积法(简称CVD法)。”黄文清介绍,HTHP法是指以石墨、金刚石粉为碳源,在高温高压的条件下,模拟天然钻石的生长环境(温度1300-1600摄氏度,压力5-6GPa)而生长钻石晶体的技术;然而使用CVD法生产培育钻石的压力和温度则相对较低,在真空反应腔体中充入氢气和甲烷的混合气体,在特定的温度和压力下使甲烷分解,碳原子在种晶片上一层一层地沉积生长,最终形成钻石。“和天然钻石一样,不论使用哪种方式,培育钻石在生产过程中也都可能出现包裹体,类似于我们在选购天然钻石时所说的‘包裹体’。包裹体越少,晶体越纯净,那么价格也会相应越高。”

  记者了解到,在实验室中培育出大颗粒高品质的宝石级钻石实际经历了一段漫长时间,自上个世纪五十年代培育钻石问世后,直到1970年,科学家才通过改良技术成功地培育出来第1颗宝石级别的钻石。“所谓‘宝石级’,是指单晶体培育钻石颜色达到标准、内部包裹体较少且可以用作饰品的钻石。”黄文清表示,直到2000年左右,随着技术越来越成熟,培育钻石从实验室走向市场,生产规模也逐步扩大。据贝恩咨询《2020-2021年全球钻石行业报告》数据,2020年全球珠宝级的实验室培育钻石原石产量约为600万至700万克拉。其中,中国产量为300万克拉,主要采用HTHP法;印度150万克拉、美国100万克拉,主要使用CVD法。

  “就目前而言,尽管培育钻石得到越来越多的消费者尤其是年轻人的追捧,但其在生产工艺上仍存在改进空间。”黄文清认为,HPHT技术相对成熟,而CVD技术有更大的发展空间,其技术难点之一在于对培育钻石颜色的控制,受技术水平限制,培育钻石在生产出来后往往带有不同程度的褐色调或者黄色调。如果想要钻石本身更接近纯白或者无色,则需要通过后期处理加以改善,这也一定程度上增加了成本。其次,如何才能在保证晶体质量的情况下,进一步提升晶体生长速度也是许多业内人士在探索的问题。此外,科学家也在研究如何扩大批量生产培育钻石的能力,比如通过扩大等离子体放电区域面积,从而扩大金刚石沉积生长的面积,使得在一次操作过程中能够生长更多的金刚石晶体。

  同样的成分,同样的火彩,消费者在购买培育钻石时应如何“擦亮眼睛”?“实际上,肉眼根本无法区分培育钻石和天然钻石,因此,消费者需要在购买时认准具有相关鉴定资质的机构出具的证书。”黄文清提醒,想要区分鉴定培育钻石的真假,往往需要用到红外光谱、紫外成像等技术来鉴别,而这样的鉴别技术是一般消费者所不具备的。


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