宝石的工业价值

2022-12-10马志飞

科学24小时 2022年12期

文/马志飞

宝石之美，不仅在于颜色之美和工艺之美，还在于材质之美。它们具有较高的硬度、特殊的化学成分，以及非同寻常的内部结构，从而造成光的反射、折射、散射、干涉、衍射等现象，在宝石颜色、透明度及外形的衬托之下，光学物理现象展现得如梦似幻。然而，宝石不仅可以作为流光溢彩的首饰，而且在工业领域也有十分重要的应用价值。

切割与研磨材料

美观、耐久和稀少是宝石的三个基本要素，其中的耐久就意味着宝石通常都具有较高的硬度，最具代表性的就是钻石，即金刚石。

切割和研磨材料——石榴石

单纯地从矿物成分上来说，金刚石并没什么奇特之处，它是由碳元素构成的，但是金刚石内部的每个碳原子都与其他4个碳原子彼此相连形成正四面体空间立体网状结构，是一个强有力的整体，这就决定了金刚石具有极高的硬度和化学稳定性，使之成为自然界中硬度最高的矿物，也决定了它在工业上的重要价值。

金刚石是十分理想的切割、研磨和抛光工具，可用于制造刀具、钻头和磨料等。比如，地质队员在朝地下钻探时就需要坚硬的钻头，钻头内嵌入一些细小的金刚石颗粒，能够磨损并钻透地下岩石。此外，用金刚石制成的锯子可以用来切割石材，金刚石刀可以用来切割玻璃，直径小于1毫米的金刚石细粉则非常适合作为工业磨料，用以制造砂轮或砂带。

工业上常用到的研磨材料还有石榴石，特别是硬度较大的铁铝榴石和钙铁榴石，用途最广。首先，它硬度大（莫氏硬度为6.5～7.5），熔点高（1180～ 1200℃），粒度均匀，可用于研磨光学仪器、电子元件、玻璃、陶瓷制品等。其次，由于它抗风化能力强，可以用于修建机场跑道、高速公路的防滑路面；在石油工业领域，还可以被用来清洁石油钻井用的钻管和套管。

光学材料

蓝宝石和红宝石是一对姐妹，它们都属于刚玉，主要成分是氧化铝。红宝石的颜色是刚玉中含有微量的铬所致。如果刚玉中含有微量的钛和铁，外观就呈现深蓝色，即为蓝宝石。由于红蓝宝石具有良好的光学性能、机械性能和化学稳定性，在半导体、光电子和通信等工业领域中具有广泛的应用。

为了满足工业上的需求，人们可在实验室里大批量地生产人造红宝石和蓝宝石。早在1958年，我国已开始生产人造红宝石，用来制造钟表的轴承，或者制造激光发生器等。2011年，我国江苏成功研制出当时国内最大最重的人造蓝宝石晶体，质量达101.35千克。2018年2月，又一颗巨无霸人造蓝宝石晶体在内蒙古诞生。它通体透明，外形规整，总质量达445千克，刷新了世界纪录。这样的人造蓝宝石主要用于制作发光二极管。发光二极管是一种能够将电能转化为可见光的半导体器件，它能使发光效率提高近10倍，寿命是传统灯具的20倍以上，兼有绿色、环保的优点，常用于照明灯、汽车灯，以及笔记本电脑、液晶电视、手机显示器的背光源等诸多领域。

与红宝石外观相似的尖晶石，在历史上曾不止一次地“假冒”红宝石的高贵身份，其实它是镁铝氧化物组成的矿物，后来凭借鲜红的外表和低价优势，吸引了一大批宝石爱好者，成为珠宝界中低档宝石的“新秀”。在工业上，尖晶石也有重要用途。由于它具有良好的机械强度和较高的熔点，耐高温、耐酸碱腐蚀、耐磨损，能用于制造特殊的光学仪器。美国研制的一种透明陶瓷所用的主要材料就是镁铝尖晶石，熔点高达2000℃以上，可以抵御强大的冲击力。与金属材料相比，不仅大大减轻了质量，而且能够透过特定波段的光线，在军事领域有重要用途，如作为坦克窗口和士兵的防护面罩的原料等。

光学材料——红宝石，产于云南元江

耐火材料

宝石家族中还有一位“新秀”名为蓝晶石，是一种主要形成于变质岩中的硅酸盐矿物。通常情况下，蓝晶石晶体大多为呈浅蓝色的细长柱状，表面带有明亮的玻璃光泽，越靠近晶体中心，颜色就越浓郁。有人形容它像根“蓝冰棒”，真是惟妙惟肖。

可作为首饰的蓝晶石有个不为大家所熟知的重要用途——用于制造高级耐火材料。科学家发现，蓝晶石有一个十分显著的特性，即当它受热达到1100℃以上时会显著膨胀，膨胀率高达11%～18%，冷却后却几乎不收缩。而大部分黏土质耐火材料在高温下会分解或脱水，从而收缩变形甚至出现裂缝。如果在这样的耐火材料中加入一定量的蓝晶石，可以抵消体积的变化，从而保证耐火材料体积稳定，用来制造耐火砖、耐火水泥和工业窑炉等，就可以大大延长其使用寿命。

此外，蓝晶石也非常适合制造耐火陶瓷，比如汽车发动机上的火花塞，或是用于生产硅铝合金。它不仅质量轻、强度高、导热性好，而且具有很好的铸造性、耐磨性和耐腐蚀性，常用于汽车制造、船舶制造和航天航空等领域。

冶金材料

我们日常生活中所用的金属材料大部分来源于金属矿物的提炼，比如黄铜矿、赤铁矿、方铅矿等，但也有少部分来自宝石，比如金属铍。

18世纪末，法国矿物学家阿羽伊在研究祖母绿和绿柱石这两种矿物时，发现它们晶体的几何结构完全相同。于是，他怀疑这两种物质应该是同一种矿物，但为了保证推断结果的准确性，他请求化学家沃克朗帮忙鉴定。鉴定结果表明，祖母绿和绿柱石的化学组成确实是完全相同的，祖母绿实际上就是绿柱石的一种。更令人震惊的发现在于，沃克朗在鉴定过程中，意外地发现绿柱石中除了含有硅和氧化铝以外，还有一种新物质。1798年2月，沃克朗宣布了自己的这一发现，并给这种物质取名为“铍”。可是由于当时的技术所限，把铍提取出来十分困难。直到1828年，科学家才将金属铍从化合物中分离出来。

铍是最轻的碱土金属元素，密度比铝小三分之一，强度比钢大很多，而且还具有显著的抗腐蚀性。加少量铍于铜中，可制成既耐腐蚀又极坚韧的合金。若用于制造飞机零件，将会大大减轻飞机的质量，提高飞机的机动性。有一种使用了金属铍材料的超音速战斗机，飞行速度可达4000千米/时，相当于音速的3倍多。

除了绿柱石之外，还有锂辉石、天河石、锆石等可用于提炼金属。锂辉石是一种富含锂元素的辉石，自然界中的锂辉石晶体通常是柱状或板状，具有玻璃光泽，制造锂电池所需的原材料金属锂主要就是从锂辉石中提炼出来的。天河石属于长石的一种，颜色通常为绿色或蓝绿色，由于这种宝石中含有氧化铷，所以工业上常用它提炼金属铷。锆石是一种含锆的硅酸盐，不仅可以用来提炼金属锆，还可以提炼金属元素铪。

压电材料

1880年，法国化学家皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟俩发现水晶有一个奇怪的特点：当这种晶体某一方向上受到压应力或者张应力的作用时，会导致垂直于应力的两边表面产生正负相反的电荷。如果机械压力一压一张交替作用，那么就可以产生交变电场，这就是著名的“压电效应”。

那么，这种物理性质有什么用途呢？可别小看了它，水晶的压电效应在战争中曾发挥过重要的作用。1914年第一次世界大战期间，德国人的潜艇给协约国造成了重大打击。发现并准确定位神出鬼没的德国潜艇，成为当时的一大难题。物理学家根据声波可以在水中传播很远、衰减很少的特点，想方设法地发明一种回声探测器。而回声探测器中最重要的部分是换能器，它能够将声能与机械能、电能相互转化，要求具有很高的敏感度，材料的选取至关重要。法国著名物理学家保罗·朗之万想到了居里兄弟发现的压电效应，于是就找来一块石英晶体制成换能器，经过试验成功地搜寻到了海底潜艇的回波。不过，稍让人觉得遗憾的是，这项发明的问世有点晚了，还没有来得及在战争中大显身手，第一次世界大战就结束了。尽管如此，水晶压电效应的发现和回声探测器的发明，对后来声呐技术的发展起到了重要的推动作用。如今，水晶被广泛用于制造高精度的压电石英元件，比如谐振器、滤波器等，它们都是现代国防、电子工业中的重要部件。