这是一块机械表的机芯机械机芯包含传动装置，如各种齿轮，在运转时，这些零件在枢轴（穿过齿轮的垂直轴）上旋转其中速率最高的齿轮——擒纵轮，每分钟的转速为20次，相比较高性能汽车引擎每分钟高达8000次的转速，机械表机芯显得轻松许多但是，即使最小最轻的齿轮，也必须考虑到它施加给枢轴的力，这种情况有点像我们拿笔的两端戳自己的手指：用同样的力道，笔尖那端一定会比另一端扎的更疼，所以，当只有零点几毫米厚的枢轴
这是一块机械表的机芯
机械机芯包含传动装置，如各种齿轮，在运转时，这些零件在枢轴（穿过齿轮的垂直轴）上旋转
其中速率最高的齿轮——擒纵轮，每分钟的转速为20次，相比较高性能汽车引擎每分钟高达8000次的转速，机械表机芯显得轻松许多
但是，即使最小最轻的齿轮，也必须考虑到它施加给枢轴的力，这种情况有点像我们拿笔的两端戳自己的手指：用同样的力道，笔尖那端一定会比另一端扎的更疼，所以，当只有零点几毫米厚的枢轴压向轴承时，所施加的压力一点也不会比想像中少
如果没有合成红宝石轴承解决方案的出现，按照起初擒纵轮的旋轴、擒纵叉、摆轮轴杆以及行轮系的齿轮都被旋入在黄铜夹板的孔洞中这样的装置，机械手表的精准性和耐用性都会大打折扣，更不会成为顶级奢侈品了
escape wheel（擒纵轮）以及其他各种零件
合成红宝石之所以能够作为齿轮轴心的保护石，镶嵌在表中发挥轴承的作用以降低机芯摩擦力和损伤，还是因为其优良的物理化学性能
今天的制表业应该感谢134年前这颗假宝石天然的红宝石被手表制作匠人拿来当作轴承使用可以追溯到1700年
而天然红宝石的开采历史已经有了8000年甚至更长时间，在许多文化中，宝石不仅因其美丽而受到重视和喜爱，也因其传说中的超自然力量
天然红宝石
当时的人们普遍认为，红宝石的红色来自石头内部的火焰灼烧，古印度人相信红宝石可以使水沸腾，早期的希腊人认为这种晶体可以使蜡熔化
在其他文化(如缅甸和美洲原住民)中，红宝石因为有血一样的颜色，甚至被认为可以保护佩戴者
天然红宝石晶体结构
因为红宝石的珍贵和旺盛的消费需求，红宝石也成为第一种被人工尝试合成的宝石，有关于它的人工合成记录可以追溯到法国化学家Marc A. Gaudin的实验，他于1837年开始相关的实验
Marc A. Gaudin
然而，实验却不那么成功，他合成的红宝石在冷却后会变得不透明，这使得他的红宝石产品没有任何价值，于是在实验进行了30年后，他选择了放弃
时间来到1885年，一位日内瓦商人出售的天然红宝石被发现居然是人造的（其异常低的价格促使买家进行了仔细的检查和检验），但是当时没人知道这种人工合成的红宝石是怎么被制造出来的
现在存世得1885年的红宝石镶嵌戒指
直到1970年左右才了解到，这批当时遗留下来的被称为“Geneva rubies（日内瓦红宝石）”的合成红宝石，是通过熔化粉状氧化铝和少量氧化铬之后凝固而成
实际上，“Geneva rubies”是通过早期的“火焰熔融”方法来进行合成，1877年，法国化学家埃德蒙德·弗雷米(Edmond Frémy)和他的助理在进行实验时，将溶解在铅氧化物中的氧化铝溶液在反应容器中加热20天
由于溶剂蒸发，溶液、容器和炉气之间发生化学反应，反应容器的内壁上形成了大量非常细小的红宝石晶体
反应容器的内壁上有生成的细小红宝石晶体
后来，Edmond Frémy的另一位学生Auguste Verneuil自行研发了人工合成红宝石的技术，最终取得了成功，到1891年，他通过“火焰熔融”方法成功生产了红宝石
Auguste Verneuil自己开发的技术合成红宝石
1900年，Auguste Verneuil的助手在巴黎世界博览会上展示了他们的成果，不出意料的受到了众人的追捧
1900年4月，巴黎万国博览会宣传画
1902年Auguste Verneuil公布了他的技术方案，也就是现在我们称呼的“维尔纳叶法” ，1913年，Verneuil去世，享年57岁，每年使用他的这一工艺合成红宝石的产量可达2000公斤
1918年，J. Czochralski又开发了另外一种被称为“直拉单晶制造法”的红宝石合成技术，这种技术能快速、有效的生产无瑕疵的红宝石，而且当切割时，整个红宝石晶莹剔透，看起来就像是玻璃仿制品，所以这种方法也多被用来生产工业用红宝石
J. Czochralski和“直拉单晶制造法”示意简图
在第二次世界大战期间，由于合成红宝石在军用和民用仪器中作为轴承的优越性能，联合碳化物公司（Union Carbine Corporation，简称联碳公司）改进了Verneuil的“火焰熔融法”合成工艺，生产出了长达750mm的红宝石晶体细棒，这种尺寸的产品可以很容易的切割并满足大量生产合成红宝石轴承的需求
红宝石轴承产品
也正是这个时候，合成红宝石作为机械表机芯中的轴承使用才开始普及于制表业中，如今俨然已是机械表的标准配备之一
这么回想起来，现在的制表业还真的应该感谢下134年前的1885年，那个“假”红宝石的制作者
如何打造一颗顶级的合成红宝石轴承前面我们已经提到过大概四种方法可以用来合成红宝石，我们先一一来介绍下
Flame Fusion（火焰熔融法）
Flame Fusion（火焰熔融法）原理示意图
将铝和铬的氧化物细粉放在Verneuil设计的装置顶部料斗中，然后用装置顶部的锤子反复敲击料斗；每次击打都会使少量粉末通过形成料斗底板的细网落下
Verneuil设计的装置
这种排出的粉末落入氧气流中，将其带到喷嘴上，在喷嘴上与氢气流混合并点燃，火焰的高温使其熔化并落在陶瓷底座上，
刚开始的时候，锤子以每分钟80次的速度敲击；在形成胚晶后，速度降低到大约每分钟20次
大约五个半小时后，晶体达到约70毫米的长度；气流停止，火焰熄灭，重约150克拉的红宝石在封闭的设备中冷却
Czochralski Process（直拉单晶制造法）
在由电加热器包围的坩埚中将原料多硅晶块加热至远高于其熔点，然后再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液放入坩埚中，直到它几乎不浸入熔体中
直拉单晶制造法示意图
为了保持熔体与种晶的整个圆周之间的恒定接触温度，棒不断旋转，当原料附着在种晶上并结晶时（由种子附着在相对较冷的杆上的过程），棒状晶体逐渐升高，同时将生长的晶体从熔体中拉出
这种方法的增长率可以非常快，每小时可生成100mm晶体，而且可以制造出非常大的晶体，有的直径超过50毫米，长度达到1米或更长
直拉单晶制造法制造的合成红宝石
Flux Growth（助熔剂法）
助熔剂可以是熔化时会熔化另一种熔点更高的材料的任何材料，虽然熔化氧化铝需要超过2,000°C的高温，但该材料会在低至800°C的温度下熔化在某些助熔剂中
助熔剂法通常会使用高于1,200°C的工艺温度，因为这样可以生产出更高质量的红宝石，一些制造商将种晶浸入熔液中，然后缓慢冷却材料通过破坏固化的助焊剂或将其溶解在酸中来提取红宝石晶体
Hydrothermal Process（水热法）
在耐高压管的一端放置粉状或结晶的原料，种晶安装在靠近管另一端的网架上，将适当的水基溶液放置在密封的管内并垂直放置在炉膛中
随着被加热，耐高压管的底端变得比顶部更热(约为445°C)，此时熔化的原料向种晶迁移，并在其相对较冷的表面结晶
接着这些合成红宝石切割成所需形状后用越来越细的磨料颗粒如金刚石粉末擦拭表面，初始抛光完成后，宝石表面可以在气体火焰中快速加热，以熔化任何微小的凸起，然后使表面冷却，并且熔融材料的薄层凝固成光滑表面
在机械表制造时，还需要对其进行钻孔，这样一个机芯中的红宝石轴承就算完成了
参考文献：
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.
