這是一塊機械表的機芯

機械機芯包含傳動裝置，如各種齒輪，在運轉時，這些零件在樞軸（穿過齒輪的垂直軸）上旋轉

其中速率最高的齒輪——擒縱輪，每分鐘的轉速為20次，相比較高性能汽車引擎每分鐘高達8000次的轉速，機械表機芯顯得輕松許多

但是，即使最小最輕的齒輪，也必須考慮到它施加給樞軸的力，這種情況有點像我們拿筆的兩端戳自己的手指：用同樣的力道，筆尖那端一定會比另一端紮的更疼，所以，當隻有零點幾毫米厚的樞軸壓向軸承時，所施加的壓力一點也不會比想像中少

如果沒有合成紅寶石軸承解決方案的出現，按照起初擒縱輪的旋軸、擒縱叉、擺輪軸杆以及行輪系的齒輪都被旋入在黃銅夾闆的孔洞中這樣的裝置，機械手表的精準性和耐用性都會大打折扣，更不會成為頂級奢侈品了

escape wheel（擒縱輪）以及其他各種零件

合成紅寶石之所以能夠作為齒輪軸心的保護石，鑲嵌在表中發揮軸承的作用以降低機芯摩擦力和損傷，還是因為其優良的物理化學性能

天然的紅寶石被手表制作匠人拿來當作軸承使用可以追溯到1700年

而天然紅寶石的開采曆史已經有了8000年甚至更長時間，在許多文化中，寶石不僅因其美麗而受到重視和喜愛，也因其傳說中的超自然力量

天然紅寶石

當時的人們普遍認為，紅寶石的紅色來自石頭内部的火焰灼燒，古印度人相信紅寶石可以使水沸騰，早期的希臘人認為這種晶體可以使蠟熔化

在其他文化(如緬甸和美洲原住民)中，紅寶石因為有血一樣的顔色，甚至被認為可以保護佩戴者

天然紅寶石晶體結構

因為紅寶石的珍貴和旺盛的消費需求，紅寶石也成為第一種被人工嘗試合成的寶石，有關于它的人工合成記錄可以追溯到法國化學家Marc A. Gaudin的實驗，他于1837年開始相關的實驗

Marc A. Gaudin

然而，實驗卻不那麼成功，他合成的紅寶石在冷卻後會變得不透明，這使得他的紅寶石産品沒有任何價值，于是在實驗進行了30年後，他選擇了放棄

時間來到1885年，一位日内瓦商人出售的天然紅寶石被發現居然是人造的（其異常低的價格促使買家進行了仔細的檢查和檢驗），但是當時沒人知道這種人工合成的紅寶石是怎麼被制造出來的

現在存世得1885年的紅寶石鑲嵌戒指

直到1970年左右才了解到，這批當時遺留下來的被稱為“Geneva rubies（日内瓦紅寶石）”的合成紅寶石，是通過熔化粉狀氧化鋁和少量氧化鉻之後凝固而成

實際上，“Geneva rubies”是通過早期的“火焰熔融”方法來進行合成，1877年，法國化學家埃德蒙德·弗雷米(Edmond Frémy)和他的助理在進行實驗時，将溶解在鉛氧化物中的氧化鋁溶液在反應容器中加熱20天

由于溶劑蒸發，溶液、容器和爐氣之間發生化學反應，反應容器的内壁上形成了大量非常細小的紅寶石晶體

反應容器的内壁上有生成的細小紅寶石晶體

後來，Edmond Frémy的另一位學生Auguste Verneuil自行研發了人工合成紅寶石的技術，最終取得了成功，到1891年，他通過“火焰熔融”方法成功生産了紅寶石

Auguste Verneuil自己開發的技術合成紅寶石

1900年，Auguste Verneuil的助手在巴黎世界博覽會上展示了他們的成果，不出意料的受到了衆人的追捧

1900年4月，巴黎萬國博覽會宣傳畫

1902年Auguste Verneuil公布了他的技術方案，也就是現在我們稱呼的“維爾納葉法” ，1913年，Verneuil去世，享年57歲，每年使用他的這一工藝合成紅寶石的産量可達2000公斤

1918年，J. Czochralski又開發了另外一種被稱為“直拉單晶制造法”的紅寶石合成技術，這種技術能快速、有效的生産無瑕疵的紅寶石，而且當切割時，整個紅寶石晶瑩剔透，看起來就像是玻璃仿制品，所以這種方法也多被用來生産工業用紅寶石

J. Czochralski和“直拉單晶制造法”示意簡圖

在第二次世界大戰期間，由于合成紅寶石在軍用和民用儀器中作為軸承的優越性能，聯合碳化物公司（Union Carbine Corporation，簡稱聯碳公司）改進了Verneuil的“火焰熔融法”合成工藝，生産出了長達750mm的紅寶石晶體細棒，這種尺寸的産品可以很容易的切割并滿足大量生産合成紅寶石軸承的需求

紅寶石軸承産品

也正是這個時候，合成紅寶石作為機械表機芯中的軸承使用才開始普及于制表業中，如今俨然已是機械表的标準配備之一

這麼回想起來，現在的制表業還真的應該感謝下134年前的1885年，那個“假”紅寶石的制作者

前面我們已經提到過大概四種方法可以用來合成紅寶石，我們先一一來介紹下

Flame Fusion（火焰熔融法）

Flame Fusion（火焰熔融法）原理示意圖

将鋁和鉻的氧化物細粉放在Verneuil設計的裝置頂部料鬥中，然後用裝置頂部的錘子反複敲擊料鬥；每次擊打都會使少量粉末通過形成料鬥底闆的細網落下

Verneuil設計的裝置

這種排出的粉末落入氧氣流中，将其帶到噴嘴上，在噴嘴上與氫氣流混合并點燃，火焰的高溫使其熔化并落在陶瓷底座上，

剛開始的時候，錘子以每分鐘80次的速度敲擊；在形成胚晶後，速度降低到大約每分鐘20次

大約五個半小時後，晶體達到約70毫米的長度；氣流停止，火焰熄滅，重約150克拉的紅寶石在封閉的設備中冷卻

Czochralski Process（直拉單晶制造法）

在由電加熱器包圍的坩埚中将原料多矽晶塊加熱至遠高于其熔點，然後再将一根直徑隻有10mm的棒狀晶種（稱籽晶）浸入融液放入坩埚中，直到它幾乎不浸入熔體中

直拉單晶制造法示意圖

為了保持熔體與種晶的整個圓周之間的恒定接觸溫度，棒不斷旋轉，當原料附着在種晶上并結晶時（由種子附着在相對較冷的杆上的過程），棒狀晶體逐漸升高，同時将生長的晶體從熔體中拉出

這種方法的增長率可以非常快，每小時可生成100mm晶體，而且可以制造出非常大的晶體，有的直徑超過50毫米，長度達到1米或更長

直拉單晶制造法制造的合成紅寶石

Flux Growth（助熔劑法）

助熔劑可以是熔化時會熔化另一種熔點更高的材料的任何材料，雖然熔化氧化鋁需要超過2,000°C的高溫，但該材料會在低至800°C的溫度下熔化在某些助熔劑中

助熔劑法通常會使用高于1,200°C的工藝溫度，因為這樣可以生産出更高質量的紅寶石，一些制造商将種晶浸入熔液中，然後緩慢冷卻材料通過破壞固化的助焊劑或将其溶解在酸中來提取紅寶石晶體

Hydrothermal Process（水熱法）

在耐高壓管的一端放置粉狀或結晶的原料，種晶安裝在靠近管另一端的網架上，将适當的水基溶液放置在密封的管内并垂直放置在爐膛中

随着被加熱，耐高壓管的底端變得比頂部更熱(約為445°C)，此時熔化的原料向種晶遷移，并在其相對較冷的表面結晶

接着這些合成紅寶石切割成所需形狀後用越來越細的磨料顆粒如金剛石粉末擦拭表面，初始抛光完成後，寶石表面可以在氣體火焰中快速加熱，以熔化任何微小的凸起，然後使表面冷卻，并且熔融材料的薄層凝固成光滑表面

在機械表制造時，還需要對其進行鑽孔，這樣一個機芯中的紅寶石軸承就算完成了

參考文獻：

Elwell, Dennis. Man-Made Gemstones. New York: Halsted Press, 1979.

MacInnis, Daniel. Synthetic Gem and Allied Crystal Manufacture. Park Ridge, NJ: Noyes Data Corporation, 1973.

Sunagawa, I. "Gem Materials, Natural and Artificial." Current Topics in Materials Science 10 (1982): 353-497.