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[交流]
【交流】美麗而多才多藝的晶體 已有12人參與
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提及晶體人們首先會(huì)聯(lián)想到晶瑩剔透的水晶、美麗的雪花和冰晶，殊不知，人類正是生活在晶體的世界里。我們居住的樓房所用的建筑材料是晶體，我們行走的道路鋪設(shè)的砂石是晶體，我們食用的糖和鹽是晶體，我們穿戴的布飾是纖維晶體所制，人人都喜愛的珍珠、寶石更是呈現(xiàn)了晶瑩的晶體品位。在人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上，晶體材料須臾不可或缺，尤其在當(dāng)今時(shí)代，人類對(duì)新材料的需求更是空前地迫切和廣泛。 認(rèn)識(shí)晶體 晶體材料是地球奉獻(xiàn)給人類的寶藏之一。在距今近萬年前的舊石器時(shí)代晚期，中國的先祖就發(fā)現(xiàn)并使用了玉這種天然晶體材料，創(chuàng)立了中國特有的玉文化。而關(guān)于晶體的外形性狀，宋代學(xué)者蘇頌在公元1070年《本草圖經(jīng)》中就記載有“云母生于石間，作片成層，可析；明滑光白者為上……”，又談到石英晶體六面“如刀削”，方解石晶體有“方棱”等等。然而把對(duì)晶體材料的觀察系統(tǒng)化、理性化并闡明晶體的微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)則是十七世紀(jì)中葉歐洲人創(chuàng)立的“結(jié)晶學(xué)”。晶體是什么？和世界上的一切物質(zhì)一樣，晶體是由微觀的、“線度”在億分之幾公分?jǐn)?shù)量級(jí)的原子組成的，是一種具有由原子或分子以對(duì)稱性、周期性和規(guī)律性建造內(nèi)部結(jié)構(gòu)的固體。結(jié)晶狀態(tài)是固體所特有的，而非晶質(zhì)狀態(tài)例如玻璃，可以說會(huì)逐漸地，可能是很長時(shí)間地轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。地球上絕大多數(shù)的固體物質(zhì)都是結(jié)晶質(zhì)的，但不是所有的存在狀態(tài)都有十分美麗的多面體外形，有很大部份是以細(xì)小的，有時(shí)肉眼都看不到的微粒組成的多晶體，但這些看起來并不美觀的微粒其內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣是規(guī)則的，漂亮的。自從1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了Ｘ射線后，1912年他的同胞勞厄獲得世界上第一張呈現(xiàn)對(duì)稱斑點(diǎn)圖案的晶體材料X射線衍射照片。X射線結(jié)構(gòu)分析方法是研究晶體結(jié)構(gòu)的基本方法。如今，只要用一顆直徑0.3毫米左右的單晶顆粒收集X 射線衍射數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)處理就能分析出晶體的結(jié)構(gòu)，對(duì)于一些簡單的結(jié)構(gòu)，利用粉末樣品或多晶樣品也可得到許多有價(jià)值的晶體結(jié)構(gòu)信息。 晶體材料不僅有美麗的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)也具有多才多藝的特性。中國的古書中大量記載有各種晶體在醫(yī)療、工藝、冶金甚至軍事上的應(yīng)用。隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，晶體材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子、激光、紅外、通訊、記憶、顯示、催化、節(jié)能等等領(lǐng)域。晶體的所有“才能”（或稱性質(zhì)）都顯示了幾個(gè)共性： (1) 各向異性。即不同方向的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，除了僅占晶體總數(shù)百分之幾的少數(shù)均質(zhì)晶體外。 (2) 同素異形體的性質(zhì)迥異。例如，由碳原子組成的化合物迄今已發(fā)現(xiàn)4種結(jié)構(gòu)不同的同素異形體，即金剛石、石墨、球烯和碳納米（如圖）。 (3)晶體微粒的大小對(duì)性能有極大的影響，這促成了上世紀(jì)80年代中期納米材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。1納米長度為千萬分之一公分，凡顆粒為１~100納米的晶體材料稱為納米材料。特別是,在此期間，晶體學(xué)又有了令世人驚奇的突破，這就是發(fā)現(xiàn)了“準(zhǔn)晶體”，這是一種在一個(gè)或幾個(gè)基本方向上其原子排列呈現(xiàn)有序地偏離周期性的準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)晶體是晶體材料中年輕的發(fā)展方向，正方興未艾。 開發(fā)晶體 這些構(gòu)成豐富、性質(zhì)多樣的天然晶體材料，是經(jīng)過千百萬年不斷循環(huán)的地球活動(dòng)形成的。地球上所有的化學(xué)元素都呈現(xiàn)為特殊化合物的狀態(tài)存在于地殼之下熾熱的巖漿中，似相互熔解，但巖漿內(nèi)的溫度、壓力及化學(xué)成份并非穩(wěn)定不變，倘若巖漿從較深處升向地表，此時(shí)溫度下降，壓力小了，巖漿開始冷卻并發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)作用，分解出許多化合物，有些冷凝得快，有些慢，因而形成了各種礦石。水蒸汽和揮發(fā)性化合物積聚在殘余的熔融體中，這些東西充填地殼的裂隙并慢慢冷卻，析出各種礦物，沉淀于裂縫壁上，這就是“礦脈”。如堪稱國之美石的福州壽山石。億萬年前地殼劇烈變化形成火山噴發(fā)，火山巖與地下水、地下礦物質(zhì)混合形成熱液，通過石頭的斷層從縫隙中擠壓、滲透、凝固，又經(jīng)過風(fēng)、水、田地、氣候千百年的洗煉才形成各種石質(zhì)溫潤的壽山石，其主要成分是多層硅酸鹽結(jié)構(gòu)的葉臘石，大自然力量之神奇和偉大由此可見一斑。對(duì)于如此珍貴的天然寶藏，合理開發(fā)是遵循自然的本性以造福人類，而過度開采甚至劫掠最終受損的必定是人類自己。福州市政府在2000年初發(fā)布實(shí)施了《福州市壽山石資源保護(hù)管理辦法》，用法律來保護(hù)壽山石資源。 培養(yǎng)晶體 盡管在浩瀚的大自然面前，人類宛如極為渺小的微沙粒，但人類可以借自然之力開拓光明的科學(xué)道路以適應(yīng)生存和發(fā)展的需求。培養(yǎng)人工晶體就是人類洞悉自然奧秘后的一項(xiàng)重大創(chuàng)造活動(dòng)。自然界的晶體大部分是細(xì)小的，不規(guī)則不均勻或含有雜質(zhì)的，另外，有些技術(shù)上需要的晶體例如鉆石，在自然界稀少而貴重。慶幸的是，人們從對(duì)天然晶體形成過程的認(rèn)識(shí)中得到種種啟示，如今可以根據(jù)待培養(yǎng)的晶體種類，采用水溶液法、高溫高壓法、熔劑法、提拉法、坩堝下降法、電解法、蒸汽法等等培養(yǎng)出大自然中難以得到的成形而純潔的單晶體，抑或以控制生長條件獲得形狀、尺寸合適的成批晶體。 設(shè)計(jì)晶體 設(shè)計(jì)晶體是人類在晶體材料的利用上從必然王國朝向自由王國的又一重大進(jìn)步，這里的設(shè)計(jì)就是使該晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即其原子或原子基團(tuán)的排列能滿足所要求性能的需要。納米材料是21世紀(jì)人工設(shè)計(jì)晶體材料中不能不提到的一種類型。納米材料具有異乎尋常的優(yōu)越性能，例如強(qiáng)度大、熔點(diǎn)低、孔徑小而利于氣體的吸附和脫附等等。上文所提到的球烯和碳納米管就屬于納米材料。球烯由60個(gè)碳原子組成足球狀的空心籠狀結(jié)構(gòu)，是目前對(duì)稱性最高的球狀分子，球直徑約為0.71納米，具有超導(dǎo)性，并可制造多種納米產(chǎn)品。碳納米管是由單原子層的石墨卷曲成管狀，外加兩顆作為封蓋的半球狀碳簇，形成細(xì)小的管子，管徑可小至0.4~0.5納米。據(jù)報(bào)載，數(shù)十萬根納米碳管捆在一起其粗細(xì)僅與一根頭發(fā)絲相當(dāng)，它也可由球烯拉長形成另一類納米管，其強(qiáng)度是鋼的100倍，比重只有鋼的1/6，具有高導(dǎo)熱性、柔軟度及化學(xué)穩(wěn)定性，可制備納米電子器件。氫氣被視為潔凈的可再生能源，而碳納米管是最佳的儲(chǔ)氫材料，并可控制污染。納米碳管被稱為21世紀(jì)的新材料，未來最佳纖維的首選。2000年我國香港科技大學(xué)物理系制得了直徑為0.4納米的單壁碳管并發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)特殊的一維超導(dǎo)特性。同年中科院物理所也制成了直徑為0.5納米的多壁碳管，證實(shí)它具有優(yōu)良的電流承載能力。中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所近年開辟的光學(xué)和催化劑的納米材料研究工作已漸入佳境。 晶體材料是自然的恩賜，設(shè)計(jì)晶體不僅能造福人類，同時(shí)也能保護(hù)自然。 [ Last edited by wsht212 on 2010-5-29 at 09:31 ] |
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wsht212(金幣+10):謝謝提醒 2010-05-29 09:22:03
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最煩這種無恥的人了，還敢說原創(chuàng) 原文鏈接http://www.fjirsm.ac.cn/kxcb/kpwz/200907/t20090717_2091951.html |
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