編者按：中科院之聲與中國科學院上海矽酸鹽研究所聯合開設「科普矽立方」專欄，為大家介紹先進無機非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認識晶格，挑戰勢壘，尋覓暗物質，今古論陶瓷；彌補缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。
隨著科技的發展，人類合成的產品愈來愈極致，要麼從無到有，要麼高度模仿天然產物。在材料科學家的眼中，合成均勻、緻密、完整的材料，比如火龍果結構（圖1），是一種追求。理想是美好的，然而，在地球上，由於重力的存在，在材料中常常會發生沉降現象（圖2），無法得到完美的材料。
圖1 均勻、緻密、完整的「火龍果結構」（圖片來自網絡）
圖2 地面上材料中常見的沉降現象（圖片來自網絡）
為了解決這個問題，一小部分飽受地球重力困擾的材料科學家，似乎想要掙脫地球母親的「束縛」，而想到了外太空環境，並由此開創了空間材料科學。（需要注意的是：太空中並非沒有引力，根據萬有引力定律，任何兩個物體之間都存在引力，只是離開地面上升到太空中，與地心的距離變遠了，因此來自地球的引力變弱了。）聰明的科學家們利用外太空的特殊環境，開展了材料研究，期待合成完美的材料。
圖3 科學家的困擾（圖片來自網絡）
圖4 地球的困擾（圖片來自網絡）
空間是生長特殊材料的理想環境，具有避免沉降、消除器壁、解決材料的分凝問題等優點。然而，航天發射的成本非常高昂，在太空中進行大規模生產不見得合適。不過，這點小困難可難不倒足智多謀的科學家們，他們選擇在地面上開發許多新型實驗技術來模擬太空中的特殊效應，其中，懸浮無容器技術就可以模擬太空中的消除器壁效應（圖5）。
無容器技術，是利用外界物理場產生的作用力來抵消物體的重力，從而使物體處於一個無接觸、無容器的狀態。材料學家利用懸浮無容器技術製備了一系列新型高折射玻璃，這種玻璃的折射率最高可以與鑽石一樣，鑽石之所以看上去五彩斑斕、晶瑩似火，還呈現燦爛的金剛光澤，就是因為具有非常高的折射率。然後按照鑽石的切割打磨工藝，進行拋光打磨，就能得到和鑽石一樣璀璨奪目的「人造鑽石」啦（圖6）。如果對仿鑽玻璃摻雜不同的稀土元素，還可以得到不同顏色的漂亮高仿鑽石。材料學家製備高仿鑽石可不是最終目的，除此之外，這種特殊的玻璃還在手機攝像頭、高密度存儲、光通信等高科技領域具有非常好的應用前景。
圖5 有容器與無容器技術的對比
圖6 來自「太空」的仿鑽玻璃
隨著科學技術的發展，人工合成的材料在性能、結構等方面，越來越接近天然鑽石，「真假」難辨。如何鑑別人造鑽石，就成為人們關心的熱點話題。「鑽石恆久遠、一顆永流傳」，鑽石常被視為定情信物，稍有不慎，就會造成重大影響。鑑別天然鑽石和人造鑽石，常常依據材料性質的不同。
鑽石在天然礦物中硬度最高，是公認的「寶石之王」，莫氏硬度為10（莫氏硬度是表示礦物硬度的一種標準，用刻痕法將稜錐形金剛鑽針刻劃所測試礦物的表面，並測量劃痕的深度，該劃痕的深度就是莫氏硬度，一般用1-10表示，滑石的莫氏硬度為1，最小；金剛石為10，最大），折射率為2.42，色散值為0.044。
圖7 常見礦物莫氏硬度表（圖片來自網絡）
雖然新型玻璃的折射率可以和鑽石一樣，但是鑽石還有其他優異的性能，比如非常高的熱導率和硬度。鑑別天然鑽石和仿鑽玻璃，主要依據熱導率的不同，只需要用手摸一下就知道，感覺涼涼的，應該是天然鑽石，沒什麼感覺的，應該就是仿鑽玻璃。然而，許多單晶材料仿鑽的各項性能都與鑽石類似，不藉助儀器設備和專業知識，很難鑑別。這類仿鑽單晶體材料大多數是通過高溫高壓或化學氣相沉積的方法合成的，下面為大家介紹仿鑽單晶體材料大家族中常常活躍在大家視線裡的五朵金花。
大姐——合成碳化矽
合成碳化矽，又名莫桑石，成分與鑽石不一樣，性能很相似。莫桑石的折射率比鑽石高，莫氏硬度為9.25，光澤度比鑽石略高，火彩是鑽石的兩倍多（火彩大多數由材料對白光的色散引起的，色散越大，火彩越明顯，看上去越璀璨奪目）。因此，可通過火彩來鑑別莫桑石和鑽石（圖8）。
圖8 你能分辨出來嗎？（圖片來自網絡）
二姐——合成立方氧化鋯
合成立方氧化鋯是當前最常見的高仿鑽石，最早由前蘇聯合成，在合成過程中可以通過添加其他元素來調製仿鑽的顏色。折射率可以達到2.1，火彩度為0.060，莫氏硬度為8.5，在折射率、硬度、火彩等方面都與鑽石接近。那麼，如何有效地分辨兩者呢？
沒有什麼能夠難倒機智的科學家們，科學家發現了一個巨大的不同點，那就是密度。立方氧化鋯的密度是鑽石的1.6-1.7倍，只需要測量一下密度，就可以將兩者區分開來。此外，兩者的導熱能力也不同，通過觸摸感知導熱性能，就能大致區分兩者。另外，還有一種簡單的方法來識別兩者。在桌面上畫一條直線，將立方氧化鋯和鑽石分別放在直線上，尖部朝上，從上往下看，立方氧化鋯能看到一條弧線，而鑽石什麼也看不到（圖9）。
圖9 天然鑽石——左or右？（圖片來自網絡）
三姐——釓鎵石榴石
三姐釓鎵石榴石是一種人工合成的晶體，學名Gd3Ga5O12，小名GGG，為等軸晶系。無色釓鎵石榴石看上去很像鑽石，折射率最高可達2.03，火彩度為0.045，莫氏硬度最高可達到7，密度為7.05g/cm3，是鑽石的2倍，簡單地通過硬度或密度就可以將釓鎵石榴石與鑽石區分。
四妹——鈦酸鍶
鈦酸鍶的化學式為SrTiO3，為一種人工合成的晶體，等軸晶系，1953年出生，顏色與鑽石接近。鈦酸鍶的折射率可達到2.409，火彩度為0.190，密度為5.13g/cm3，莫氏硬度最高為6。鈦酸鍶的火彩要明顯高於鑽石，硬度比鑽石低很多，甚至用鋼針都可以劃傷鈦酸鍶。
小妹—合成金紅石
合成金紅石的化學式為TiO2，一般為淺黃色，也有呈現明亮的藍色或紅色，難以形成無色。密度為4.26g/cm3，折射率很高，可達2.903，具有雙折射性能，莫氏硬度為6，火彩度達到0.33，非常高。由於具有雙折射，在放大鏡下具有很強的重影。合成金紅石的火彩在寶石材料中是最高的，炫彩奪目（圖9）。
圖10 合成金紅石（左）和鑽石（右）的火彩特徵（圖片來自網絡）
鑽石代表了集各種極限性能於一身的一類完美材料，也是人類擺脫地球重力影響，利用太空開展材料科學研究所追逐的目標。通過長期對太空特殊環境的認識和探索，材料科學家在地面開發了一系列新型實驗技術，研究出了新型材料。但是，現有合成或加工的各類仿鑽材料，都難以像鑽石一樣完美。從太空到仿鑽，原來航天可以這麼玩，哈哈，有興趣的朋友可以關注中國載人空間站的空間材料事業的發展哦，說不定還有更新鮮的事物出現呢。
來源：中國科學院上海矽酸鹽研究所