熔体生长

        大多数天然晶体是在地球深处的熔融环境中形成的。岩石中晶体（颗粒）的大小以及颗粒一起生长的方式对地质学家来说很有意义，并且可以提供大量有关岩石冷却历史的信息。宝石，包括橄榄石（橄榄石）、长石和其他宝石，淘矿工场科普偶尔会从此类火成岩材料中发现的较大晶体中切割出来。

        熔体生长的总称是凝固。每个人都会从熔体中长出晶体。毕竟，水只不过是融化的冰，一种结晶固体，仅在 32°F 时就会冻结（固化）。雪花虽然是枝晶，但其实是冰的单晶。但是，冰箱中的冰块不是。熔体不受控制的冻结通常会导致形成许多微小的微晶，这些微晶都以相同的一般速率生长以填满可用空间。因此，冰块是一种多晶聚集体，由无数相互生长的晶体组成。浇注的熔融金属锭以大致相同的方式结晶。

        从熔体中生长非常方便，并且在许多情况下需要相对简单的设备。然而，这种方法不适用于含有水或挥发性成分的生长材料；此类材料在其熔点时分解。用技术语言来说，“一致熔化”材料是一种不会改变固态和液态边界处的成分，因此可以通过以下方法之一生长的材料。

        Verneuil 技术或火焰融合技术是由 August Verneuil 于 1800 年代后期开发的，他是宝石合成的伟大先驱之一。Verneuil 于 1891 年和 1892 年将密封文件存放在巴黎科学院。1910 年开放时，这些文件揭示了 Verneuil 在红宝石合成方面的工作细节，为大规模生产打开了大门。

        Verneuil 详细介绍的设备设计非常巧妙，以至于现代工厂仍然使用与原始规格基本相同的熔炉。也许有数百种材料已经通过 Verneuil 方法生长，它是所有晶体生长技术中成本最低的一种。Verneuil 晶体通常仅以每克拉几美分的价格出售，业余爱好者和宝石切割师很容易买到。

        Verneuil 炉的主要特征是氧-氢或氧-乙炔炬。待生长物质的粉末通过该火焰滴入，熔化的液滴落到一个旋转的棒上，棒被慢慢收回。小心地调整撤出速率，以便“下雨”到棒上的熔融液滴以受控方式固化并形成单晶。成品晶体的纯度取决于起始粉末和晶体生长的气氛。Verneuil 晶体或晶锭的质量（法式为球）取决于进料粉末的纯度和粒度、火焰温度、种子棒的旋转和退出速度以及保护晶体免受气流影响的能力。

        到 1920 年代，欧洲的工厂每年生产数亿克拉的 Verneuil 晶体，这说明了 Verneuil 方法在水晶生产中的流行。以这种方式商业生产的宝石材料包括蓝宝石、红宝石、星光刚玉、尖晶石、金红石、钛酸锶以及大量的氧化物和其他化合物。注意：从您的曾祖母那里继承的戒指中的红宝石不一定是天然的，因为它已经有 100 多年的历史了！

        August Verneuil 在 19 世纪后期使用与此处描述的设备类似的设备来合成红宝石。 Verneuil 技术背后的原理仍在现代晶体生长技术中使用。 “Verneuil 火炬草图。”  

        Czochralski 技术或“拉晶”最初是为了测量金属的结晶速度而开发的。现在它在宝石晶体生长中与 Verneuil 方法一样重要。该技术包括在坩埚中熔化起始粉末，坩埚通常是铂、铱、石墨或陶瓷。将一根末端带有微小晶种的旋转棒放入坩埚中，直到它刚好接触到熔体，然后慢慢抽出。

        熔体和晶种之间界面处的结晶以两种方式进行： 1. 表面张力将一些熔体从坩埚中略微拉出到晶种上。一旦这种材料离开熔体，它就会冷却到刚好凝固，并添加到晶种中。2. 热传导允许固体非常轻微地延伸到熔体中，确保拉出足够的材料，使生长的晶体变得更大。晶体以这种方式继续生长，直到坩埚的全部内容物被拉出并添加到棒中。

        拉速通常在每小时 1 毫米到 10 厘米的数量级。直拉晶体可以是巨大的——有棒球棒那么大！许多技术上至关重要的晶体，例如纯硅，是通过拉动生长的，许多切割成宝石的材料也是如此。这些包括红宝石、蓝宝石、YAG、GGG、亚历山大变石和各种不寻常的氧化物。

        Bridgman-Stockbarger 方法大约是由 RW Bridgman（美国）、DC Stockbarger（德国）和俄罗斯人 J. Obreimov、G. Tammann 和 L. Shubnikov 在 1924-1936 年期间开发的。使用特殊形状的容器，通常是圆柱形管，逐渐变细为一端带有小尖端的锥形。管子里装满了所需结晶材料的粉末，然后通过加热器（射频或电阻类型最常见）降低，尖端朝下。管中的材料熔化，但小锥形尖端是容器从加热器中出现的第一部分。在理想情况下（并非那么难以实现），第一批要凝固的熔融材料会形成单晶，而不是多晶聚集体。

        这种技术有许多变体，其中一些适用于特殊应用，例如高纯度金属的生长。该方法在概念上非常简单，可用于生长真正巨大的晶体，迄今为止最大的晶体超过三英尺，重量超过一吨（碘化钠、碘化铯等）。它通常用于卤化物、许多硫化物和多种氧化物的生长。

        当材料反应性太强以至于它们无法熔化时就会出现问题，即使在铂和铱这样的非反应性容器中，或者如果要生长的材料的熔点超过可用容器材料的熔点。后者是立方氧化锆 (CZ) 的情况，它在 2750°C 的惊人高温下熔化。(4982°F。) CZ 的单晶生长直到 1970 年代才得到管理，当时苏联的一个研究小组完善了一种称为头骨熔化的技术（以前已知）。“头骨”是一个由铜圆柱制成的开口杯，里面装满了氧化锆粉末，并加热直到粉末熔化。

        圆柱体是中空的，并且是水冷的，因此熔融的氧化锆被有效地包含在 1 毫米厚的固体氧化锆壳中，该壳正好在铜壁内部形成。然后让整个组件缓慢冷却，直到整个团块固化。一个典型的头骨包含大约一公斤的材料，其中一半作为可切割的 CZ 出现。氧化锆是通过这种方法生长的唯一重要的宝石材料，它在许多不同的位置以多种颜色制成。全球 CZ 产量以吨为单位报告，而不是克拉！

        解决方案增长

        解决方案可能是最熟悉的晶体生长环境。即使是制作一杯速溶咖啡的简单动作也是对溶解度的研究。如果你去海滩游泳，一段时间后你会感到滑溜溜和不舒服的感觉，这是由于海水蒸发在你的皮肤上留下了一层细小的氯化钠和其他盐分。你甚至可以用放大镜看到它们的晶体形状（氯化钠是立方体）。

        溶液增长具有主要优势，包括溶解组分的高流动性、便利性和易于控制。用于溶液生长的设备可以像一壶水和一些梅森罐一样简单和便宜；然而，大多数宝石需要更精细和昂贵的设备！

        虽然一夸脱的沸水可以溶解多达 5 磅的糖（如果您制作蜂鸟食物，您会发现这一点），但在氧化物和硅酸盐中找不到如此高的溶解度。此外，虽然纯水是许多化合物的极好溶剂，但具有宝石学意义的材料的溶解度如此之低，以至于在实际应用中，它们可能被认为是不溶的。然而，在自然环境的情况下，溶于热水中的一点矿化剂（例如氢氧化钠）会显着提高其溶解石英、绿柱石等硅酸盐的能力。在高压和高温下。在这种称为热液生长的条件下，可以在实验室中复制许多矿物晶体。

        然而，一个主要的区别是大小。大自然相对不关心容器壁的腐蚀、压力过高时生长容器的破裂，甚至生长溶液的确切化学成分（或纯度）。大自然产生非常高的温度和压力而不受惩罚。结果确实非常壮观：锂辉石晶体长达 40 英尺，长石有火车车厢大小，还有人大小的石英晶体。迄今为止，在实验室中生长的最大的热液（石英）晶体的重量不到几百磅。糖晶体（冰糖）和其他盐类的生长可以在室温和压力下在简单的容器中实现。硅酸盐不能以这种方式生长。然而，这些物质可以在称为炸弹的钢瓶中结晶，这些钢瓶装有进料、水。

        水热生长装置是压力锅。炸弹在装置内被加热，并且由于它是密封的，一旦其中的水膨胀以充满钢瓶，压力就会随着温度的升高而升高。仔细监测温度，准确测量添加到炸弹中的水，以达到预定的压力水平。毫不奇怪，这里的错误可能会令人尴尬！

        除石英外，水热合成对技术应用意义不大。然而，它对合成宝石非常重要，因为在地球内通过热液形成了许多天然材料。以这种方式常规生产的宝石包括祖母绿、紫水晶和黄水晶。水热生长特别适用于含有水或其他挥发性成分并因此在熔化时分解的材料。

        通量增长

        水是融化的冰，是我们熟悉的许多物质的有效溶剂。然而，它不是一种足够强大的溶剂来溶解大多数氧化物、硅酸盐和其他硬质材料。冰是一种结晶固体，在 32°F 时会融化。其他结晶固体可以在低至几百度的温度下熔化。如果水（融冰）是一种很好的溶剂，那么其他熔融物质的溶解能力呢？

        事实向淘矿工场科普证明，许多化合物，包括硼砂、氧化锂和氧化钼、氟化钾、氧化铅和氟化物以及其他混合物，在熔化时都是强溶剂；事实上，一些晶体种植者认为，理论上应该可以为任何给定的晶体找到熔盐溶剂。最早的宝石晶体，[Edmund] Fremy 制造的红宝石，是从刚玉的熔盐溶液中生长出来的。大量具有宝石学意义的化合物都可以通过这种方式生长，包括亚历山大变石和祖母绿。

        唐纳德·克拉克 (Donald Clark) 的笔记：Arem 博士的文章“了解宝石合成、处理和仿制品”是一篇精彩的文章。我非常尊重阿雷姆博士。他的《 彩色宝石百科全书》 是同类作品中最好的参考书。他曾经帮我解决了一个困难的身份。

        淘矿工场科普没想到他会收到一封私人信件，很高兴他会不遗余力地帮助我们。这是在IGS存在之前。但是，您应该知道他对“合成”和“同源”这两个词的定义与我们的行业标准不一致。在我的文章“宝石是如何分类的”中， 根据美国宝石学院 (GIA) 的说法，淘矿工场科普将“合成”定义为“复制其天然对应物的材料”，将“同源物”定义为“在自然界中没有对应物”的材料。