巧奪天工的人造晶體
天然晶體,是在自然條件下形成有一定幾何形狀的固體。淡水遇冷結成的冰花,海水濃縮形成的鹽粒,化學藥劑中多種的鹽類,以及天然金剛石、水晶等,是無機物中常見的晶體。冰糖塊、味精等則是有機物中常見的晶體。
有些晶體,由於天然色質迷人,或是質地堅硬無比,加之優者極為稀少,常被列為寶石,貴者價值連城。於是早就有人想用人工的方法來製造他所需要的寶石。
最早由人工製成的是紅寶石,這已是本世紀初的事情。1904年,有一個叫弗那伊的人,設計了一種火焰的熔融爐,把含有0.5%左右氧化鉻的三氧化二鋁粉末由爐頂落下,通過2030℃高溫的氫氧焰,熔融而結晶,生成了柱狀的紅寶石,大的直徑可達一寸,高可達一尺半。要是天然界能發現這樣大的紅寶石,可就是稀世的珍寶了,而弗那伊的熔爐裏,幾天(晝夜不息)時間就能“長”出一根。現在人造紅寶石大量用做手表和儀表的精密軸承,它的硬度約為金剛石的十分之九,是除金剛石以外最硬的材料。激光技術發展後,它是激光發光材料之一。
水晶由其晶瑩無色透澈如水而得名,天然水晶含有少量雜質的,常呈深淺不同的茶色。過去用水晶做雕琢品,茶色的做眼鏡片。由於水晶的單晶有特殊的電振蕩性能,製成的標準頻率元件,廣泛用於無線電通訊和石英電子表中,在各個領域裏對它的需要量劇增。
研究人造水晶是在1845年,到1905年才有人用半年的時間,在培養釜內得到一根14毫米長的水晶晶體。這一速度已比天然水晶的生長快了千萬倍,但要做為工業生產,水晶的生長期還太長。後來經過不斷的改進,現在用的方法是在特殊鋼製高壓釜中,底下放天然水晶的碎塊和溫度是360～450℃的熱水,上層的水溫為300～380℃，並放水晶的晶種，釜內的壓力大到700—2500個大氣壓,這樣一個月左右,就能得到200多根,每根重150～300克的棒狀水晶了。生長期最快的,一天可以長長5毫米,這一速度又比當初快了500多倍。
人造金剛石的研究最為迷人。早在十八世紀末,拉瓦錫首先發現金剛石是碳單質的一種特殊晶形。後又有實驗表明,在真空中對金剛石加高溫,它會膨脹而轉化為石墨。由此使人產生了把石墨放在高溫高壓下轉變為金剛石的想法。1880年和1894年,先後有兩位科學家做了類似的實驗,聲稱得到了金剛石微晶,但後人仿做均沒有成功。1938年,有人通過理論推算,要把石墨變成金剛石,最少得加上一萬五千多個大氣壓。1955年有人找到了用微量金屬做催化劑的方法,終於按設想的方法使石墨變成了金剛石。
人造金鍘石的現代技術,是使用1500℃的高溫約6萬個大氣壓的特殊設備,使熔於鐵、鎳催化劑溶體中的石墨,在高壓下沉積到金剛石籽晶上,形成較大的金剛石顆粒,其直徑能大到6毫米。另外,利用爆炸產生高壓,也能有效製出較大金剛石。人造金剛石世界的年產量目前已近十噸。
電子工業上所用的單晶矽,應算是目前產量最大,最有用途的人造晶體。它是製作收錄音機、電視、電子計算機中的心髒——電子線路集成塊等的基本材料,它小到隻有指甲蓋大的一片,就能把過去成百上千個電子元件包含進去,而且功能絲毫不減。可以說它是推動科技革命和文化用品更新的最主要的材料之一。
天然寶石物稀價貴、供不應求,人們普遍的裝飾品上的寶石,大多數是人造的,它的花色品種繁多,完全可以長久的占領市場,跟天然寶石爭豔,而深受人們的喜愛。
人造的寶石,是科學家智慧的結晶,是化學家巧奪天工製造出來的產品之一,化學的無窮威力,在這裏又一次大顯了神通。