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珍珠與鑽石

100/06/02 瀏覽次數 18491
小百科

珍珠又名真珠(日文)或蚌珠,它的主要化學成分是碳酸鈣(CaCO3),是一種得自蛤蚌、牡蠣類等軟體動物貝殼的晶體。當蛤蚌的外套和甲殼受傷時,這蛤蚌會分泌碳酸鈣去彌合傷口,由於存在著質核(nucleation nuclei),碳酸鈣會長成晶體,而這一層層的碳酸鈣晶體薄膜就形成了漂亮的珍珠。

珍珠的光澤是光在這些透明的真珠質層間不斷反射和暈彩(iridescence)所造成的,真珠質層越薄越有光澤,珍珠也越漂亮,其中又以黑珍珠最名貴。一般珍珠要數年才能成形,但若孕育的珍珠太大,蛤蚌很可能中途死去。

鑽石是碳的同素異形體,本質與做為燃料的木炭相同,不同的是鑽石的化學鍵與晶體結構比它的同素異形體兄弟穩定多了,因此它的硬度比什麼都高。而且當光線進入多角形的晶體時,還會因曲折反射而放出閃爍奪目的光彩。

碳的同素異形體除了鑽石之外,還有石墨(graphite)、碳六十(buckyball)、奈米碳管(carbon nanotube)等。值得一提的是,在高壓和高溫的條件下,石墨會轉變成鑽石。2010年的諾貝爾物理獎就是頒給2位研究石墨烯(graphene)的科學家,而石墨烯是由單層石墨原子所構成的。

靈機一動

日本的御木本幸吉(Kokichi Mikimoto, 1858-1954)因家庭貧窮,沒有念完小學就在市場當菜販。一天清晨在觀看漁夫挖貝殼取牡蠣時,發現有一蛤蚌竟然包藏著一顆閃光的珍珠。自此他一有空就跑去魚市場,研究藏有珍珠的蛤蚌有什麼特徵。他發現有珍珠的蛤蚌實在少的可憐,原來珍珠的昂貴是有其原因的。他靈機一動想到或許可以用人工養殖生產珍珠,因此就向親戚借錢投入珍珠的養殖生產。

御木本嘗試了各種方法,終於在1905年找到祕密,並申請專利。但用這方法所養殖得到的珍珠是半圓形的,與圓形的天然珍珠不同。

當時另有2位日本人也從事珍珠的養殖生產,一位是農林廳的生物雇員西川籐吉(Tokichi Nishikawa),另一位是見瀨辰平(Tatsuhei Mise)。他倆人都曾經專程去澳洲學習養殖珍珠的技術,各學有所成,也各自申請了專利。但後來發現二人的養殖原理與方法類似,經過協商後,就把養殖方法稱為「見瀨—西川方法」(Mise-Nishikawa method)。這方法是用特製的長針刺傷蛤蚌的上皮細胞,並放進質核以形成珍珠小袋(sac)。

雖然御木本前後共申請到3個養殖生產珍珠的專利,但因為「見瀨—西川方法」比較科學且成本較低,並且能養殖出圓形的珍珠,御木本就放棄自己的方法,轉而出資購買「見瀨—西川方法」的專利。御木本並把女兒嫁給西川,自此各家珍珠養殖生產都採用「見瀨—西川方法」。

澳大利亞是南海珍珠的主要產地。近年來在南太平洋和印度洋,人們用比較大的珍珠蛤來生產珍珠,使得南海產的珍珠較大,並發出銀色的光澤,但大於14毫米的珍珠並不多見。

1990年代,日本人另發明了使用淡水蛤生產珍珠的技術,淡水珍珠會發出特殊的彩虹般顏色。近年中國就盛行淡水養殖珍珠,目前的珍珠大都來自浙江地區。溫州地帶則盛產人工仿製珍珠,產量甚多。

化石墨為鑽石

天然鑽石埋藏在地表下層約140~190公里處(大約從臺北到臺中的距離),在這麼深的地層由於有高壓力及高溫度,才能把碳轉化成鑽石。一般在火山爆發後的地方也可能找到鑽石。

在二百多年前科學家就已測定出碳的相圖,並預測在攝氏2千度和10 GPa(GPa是giga pascal =109 Pa,而1 bar(巴)=105 Pa,因此10 GPa= 100,000 bar,約10萬大氣壓)的條件下能把石墨轉化成鑽石。

早在100年前就有人宣稱可以用人工方法製造鑽石,但經分析後發現這些「人造鑽石」並不是鑽石,製程也無法再現。1941年,美國通用電氣公司(GE)著手進行這項研究,後來因二次世界大戰而中止,直到1951年才重起爐灶。在這10年時間,哈佛大學的物理學家布里基曼(Percy W. Bridgman)研發出一套高壓物理實驗設備,更因這項成果榮獲1946年諾貝爾物理獎。

GE的團隊就利用這套高壓設備進行人造鑽石研製,經過許多嘗試,終於在1955年由何爾(Tracy Hall)正式宣布在10 GPa和攝氏2千度並有觸媒輔助的條件下,能把石墨轉化成鑽石。雖然成品只有0.15毫米大,但因方法具再現性,可重複製成鑽石,所以何爾做為把石墨轉化成鑽石的第一人應當之無愧。

這些小鑽石因為硬度高,第一個用途就是做為砂紙、研磨用具。1970年,GE又發表製造出5毫米大的鑽石(相當於1克拉,0.2公克)。後來南非的De Beers公司更勝一籌,製造出25克拉(5公克)的鑽石。

之後化學家陸續找到數種製造鑽石的方法,如(1)化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)法,在低壓情況下把1%甲烷+99%氫氣通入反應器,以高頻雷射或高溫使氣體電漿化,先把氣體變成高活性的自由基而在基板或晶種表面沉積一層鑽石膜,時間長了可以慢慢長出塊狀鑽石晶體,約幾個毫米大小;(2)爆炸方法,無需觸媒就可以把石墨直接變成奈米鑽石,但只能製造鑽石微粒;(3)用高音波振盪方法把石墨溶液轉變成鑽石。這些方法都只能製造出工業級的鑽石。

在鑽石製程中,顏色的控制是一個大學問。如史上第一顆人造寶石,就因為含有氮原子的雜質而略帶淺黃色。由於空氣中氮氣含量高達79%,顯然製造時品質的控制仍然有許多進步空間。用人工方法製成的鑽石成本很高,尤其是裝飾用的大鑽石,價格並不比天然鑽石便宜。

掌聲回響

御木本(Mikimoto)有眼光獨占了珍珠的養殖領域,又有生意頭腦,他曾當眾焚燒一大批不合格的珍珠,以彰顯他的珍珠品質優良,因此讓他打造出Mikimoto品牌的珍珠王國。自從在東京銀座設立了第一家Mikimoto珍珠店後,在日本Mikimoto珍珠幾乎無人不曉。爾後甚至世界各大都市都有Mikimoto的分店。

人造鑽石的品質並不亞於天然鑽石,以各種物理與化學的檢驗幾乎難以區別。第一顆人造鑽石的出世,當歸功於布里基曼教授的高壓物理的實驗結果與設備。科技的進展常常得依賴科學家的研究成果,雖然當初的研究者並沒有注意到應用層面的問題,但後來的創意者總可以發揮得淋漓盡致,類似鑽石進展的情形在科學史上是不勝枚舉的。

深度閱讀
  1. Coller, J. (2009) Splendidly Unreasonable Inventors: The Lives, Loves, and Deaths of 30 Pioneers Who Changed the World, pp. 24-27. Overlook, New York, NY.
  2. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1946/index.html
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Diamonds
  4. http://en.wikipedia.org/wiki/pearl
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