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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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(guó)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(jiǎn)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(guó)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(zhǎng)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(guó)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(rùn)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(zhǎng)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(guó)朝向自由王國(guó)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(zhǎng)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(guó)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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lingyun79
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小木蟲(金幣+0.5):給個(gè)紅包，謝謝回帖交流
wsht212(金幣+10):謝謝提醒 2010-05-29 09:22:03
小木蟲(金幣+0.5):給個(gè)紅包，謝謝回帖交流
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 |
6樓2010-05-29 09:13:40
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