文/馬志飛

寶石之美，不僅在于顏色之美和工藝之美，還在于材質(zhì)之美。它們具有較高的硬度、特殊的化學(xué)成分，以及非同尋常的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而造成光的反射、折射、散射、干涉、衍射等現(xiàn)象，在寶石顏色、透明度及外形的襯托之下，光學(xué)物理現(xiàn)象展現(xiàn)得如夢似幻。然而，寶石不僅可以作為流光溢彩的首飾，而且在工業(yè)領(lǐng)域也有十分重要的應(yīng)用價值。

切割與研磨材料

美觀、耐久和稀少是寶石的三個基本要素，其中的耐久就意味著寶石通常都具有較高的硬度，最具代表性的就是鉆石，即金剛石。

切割和研磨材料——石榴石

單純地從礦物成分上來說，金剛石并沒什么奇特之處，它是由碳元素構(gòu)成的，但是金剛石內(nèi)部的每個碳原子都與其他4個碳原子彼此相連形成正四面體空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是一個強有力的整體，這就決定了金剛石具有極高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，使之成為自然界中硬度最高的礦物，也決定了它在工業(yè)上的重要價值。

金剛石是十分理想的切割、研磨和拋光工具，可用于制造刀具、鉆頭和磨料等。比如，地質(zhì)隊員在朝地下鉆探時就需要堅硬的鉆頭，鉆頭內(nèi)嵌入一些細小的金剛石顆粒，能夠磨損并鉆透地下巖石。此外，用金剛石制成的鋸子可以用來切割石材，金剛石刀可以用來切割玻璃，直徑小于1毫米的金剛石細粉則非常適合作為工業(yè)磨料，用以制造砂輪或砂帶。

工業(yè)上常用到的研磨材料還有石榴石，特別是硬度較大的鐵鋁榴石和鈣鐵榴石，用途最廣。首先，它硬度大（莫氏硬度為6.5～7.5），熔點高（1180～ 1200℃），粒度均勻，可用于研磨光學(xué)儀器、電子元件、玻璃、陶瓷制品等。其次，由于它抗風(fēng)化能力強，可以用于修建機場跑道、高速公路的防滑路面；在石油工業(yè)領(lǐng)域，還可以被用來清潔石油鉆井用的鉆管和套管。

光學(xué)材料

藍寶石和紅寶石是一對姐妹，它們都屬于剛玉，主要成分是氧化鋁。紅寶石的顏色是剛玉中含有微量的鉻所致。如果剛玉中含有微量的鈦和鐵，外觀就呈現(xiàn)深藍色，即為藍寶石。由于紅藍寶石具有良好的光學(xué)性能、機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在半導(dǎo)體、光電子和通信等工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。

為了滿足工業(yè)上的需求，人們可在實驗室里大批量地生產(chǎn)人造紅寶石和藍寶石。早在1958年，我國已開始生產(chǎn)人造紅寶石，用來制造鐘表的軸承，或者制造激光發(fā)生器等。2011年，我國江蘇成功研制出當(dāng)時國內(nèi)最大最重的人造藍寶石晶體，質(zhì)量達101.35千克。2018年2月，又一顆巨無霸人造藍寶石晶體在內(nèi)蒙古誕生。它通體透明，外形規(guī)整，總質(zhì)量達445千克，刷新了世界紀錄。這樣的人造藍寶石主要用于制作發(fā)光二極管。發(fā)光二極管是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體器件，它能使發(fā)光效率提高近10倍，壽命是傳統(tǒng)燈具的20倍以上，兼有綠色、環(huán)保的優(yōu)點，常用于照明燈、汽車燈，以及筆記本電腦、液晶電視、手機顯示器的背光源等諸多領(lǐng)域。

與紅寶石外觀相似的尖晶石，在歷史上曾不止一次地“假冒”紅寶石的高貴身份，其實它是鎂鋁氧化物組成的礦物，后來憑借鮮紅的外表和低價優(yōu)勢，吸引了一大批寶石愛好者，成為珠寶界中低檔寶石的“新秀”。在工業(yè)上，尖晶石也有重要用途。由于它具有良好的機械強度和較高的熔點，耐高溫、耐酸堿腐蝕、耐磨損，能用于制造特殊的光學(xué)儀器。美國研制的一種透明陶瓷所用的主要材料就是鎂鋁尖晶石，熔點高達2000℃以上，可以抵御強大的沖擊力。與金屬材料相比，不僅大大減輕了質(zhì)量，而且能夠透過特定波段的光線，在軍事領(lǐng)域有重要用途，如作為坦克窗口和士兵的防護面罩的原料等。

光學(xué)材料——紅寶石，產(chǎn)于云南元江

耐火材料

寶石家族中還有一位“新秀”名為藍晶石，是一種主要形成于變質(zhì)巖中的硅酸鹽礦物。通常情況下，藍晶石晶體大多為呈淺藍色的細長柱狀，表面帶有明亮的玻璃光澤，越靠近晶體中心，顏色就越濃郁。有人形容它像根“藍冰棒”，真是惟妙惟肖。

可作為首飾的藍晶石有個不為大家所熟知的重要用途——用于制造高級耐火材料?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，藍晶石有一個十分顯著的特性，即當(dāng)它受熱達到1100℃以上時會顯著膨脹，膨脹率高達11%～18%，冷卻后卻幾乎不收縮。而大部分黏土質(zhì)耐火材料在高溫下會分解或脫水，從而收縮變形甚至出現(xiàn)裂縫。如果在這樣的耐火材料中加入一定量的藍晶石，可以抵消體積的變化，從而保證耐火材料體積穩(wěn)定，用來制造耐火磚、耐火水泥和工業(yè)窯爐等，就可以大大延長其使用壽命。

此外，藍晶石也非常適合制造耐火陶瓷，比如汽車發(fā)動機上的火花塞，或是用于生產(chǎn)硅鋁合金。它不僅質(zhì)量輕、強度高、導(dǎo)熱性好，而且具有很好的鑄造性、耐磨性和耐腐蝕性，常用于汽車制造、船舶制造和航天航空等領(lǐng)域。

冶金材料

我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫慕饘俨牧洗蟛糠謥碓从诮饘俚V物的提煉，比如黃銅礦、赤鐵礦、方鉛礦等，但也有少部分來自寶石，比如金屬鈹。

18世紀末，法國礦物學(xué)家阿羽伊在研究祖母綠和綠柱石這兩種礦物時，發(fā)現(xiàn)它們晶體的幾何結(jié)構(gòu)完全相同。于是，他懷疑這兩種物質(zhì)應(yīng)該是同一種礦物，但為了保證推斷結(jié)果的準確性，他請求化學(xué)家沃克朗幫忙鑒定。鑒定結(jié)果表明，祖母綠和綠柱石的化學(xué)組成確實是完全相同的，祖母綠實際上就是綠柱石的一種。更令人震驚的發(fā)現(xiàn)在于，沃克朗在鑒定過程中，意外地發(fā)現(xiàn)綠柱石中除了含有硅和氧化鋁以外，還有一種新物質(zhì)。1798年2月，沃克朗宣布了自己的這一發(fā)現(xiàn)，并給這種物質(zhì)取名為“鈹”。可是由于當(dāng)時的技術(shù)所限，把鈹提取出來十分困難。直到1828年，科學(xué)家才將金屬鈹從化合物中分離出來。

鈹是最輕的堿土金屬元素，密度比鋁小三分之一，強度比鋼大很多，而且還具有顯著的抗腐蝕性。加少量鈹于銅中，可制成既耐腐蝕又極堅韌的合金。若用于制造飛機零件，將會大大減輕飛機的質(zhì)量，提高飛機的機動性。有一種使用了金屬鈹材料的超音速戰(zhàn)斗機，飛行速度可達4000千米/時，相當(dāng)于音速的3倍多。

除了綠柱石之外，還有鋰輝石、天河石、鋯石等可用于提煉金屬。鋰輝石是一種富含鋰元素的輝石，自然界中的鋰輝石晶體通常是柱狀或板狀，具有玻璃光澤，制造鋰電池所需的原材料金屬鋰主要就是從鋰輝石中提煉出來的。天河石屬于長石的一種，顏色通常為綠色或藍綠色，由于這種寶石中含有氧化銣，所以工業(yè)上常用它提煉金屬銣。鋯石是一種含鋯的硅酸鹽，不僅可以用來提煉金屬鋯，還可以提煉金屬元素鉿。

壓電材料

1880年，法國化學(xué)家皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟倆發(fā)現(xiàn)水晶有一個奇怪的特點：當(dāng)這種晶體某一方向上受到壓應(yīng)力或者張應(yīng)力的作用時，會導(dǎo)致垂直于應(yīng)力的兩邊表面產(chǎn)生正負相反的電荷。如果機械壓力一壓一張交替作用，那么就可以產(chǎn)生交變電場，這就是著名的“壓電效應(yīng)”。

那么，這種物理性質(zhì)有什么用途呢？可別小看了它，水晶的壓電效應(yīng)在戰(zhàn)爭中曾發(fā)揮過重要的作用。1914年第一次世界大戰(zhàn)期間，德國人的潛艇給協(xié)約國造成了重大打擊。發(fā)現(xiàn)并準確定位神出鬼沒的德國潛艇，成為當(dāng)時的一大難題。物理學(xué)家根據(jù)聲波可以在水中傳播很遠、衰減很少的特點，想方設(shè)法地發(fā)明一種回聲探測器。而回聲探測器中最重要的部分是換能器，它能夠?qū)⒙暷芘c機械能、電能相互轉(zhuǎn)化，要求具有很高的敏感度，材料的選取至關(guān)重要。法國著名物理學(xué)家保羅·朗之萬想到了居里兄弟發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)，于是就找來一塊石英晶體制成換能器，經(jīng)過試驗成功地搜尋到了海底潛艇的回波。不過，稍讓人覺得遺憾的是，這項發(fā)明的問世有點晚了，還沒有來得及在戰(zhàn)爭中大顯身手，第一次世界大戰(zhàn)就結(jié)束了。盡管如此，水晶壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和回聲探測器的發(fā)明，對后來聲吶技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動作用。如今，水晶被廣泛用于制造高精度的壓電石英元件，比如諧振器、濾波器等，它們都是現(xiàn)代國防、電子工業(yè)中的重要部件。

壓電材料——含有包裹體的水晶

具有壓電效應(yīng)的還有電氣石，即碧璽。不僅如此，當(dāng)電氣石被加熱時，也可以一端帶有正電荷，另一端帶負電荷，這種現(xiàn)象被稱為“熱電效應(yīng)”。所謂 “電氣石”中的“電氣”二字即源于此。利用電氣石的這些特殊性質(zhì)，人們可以在現(xiàn)代國防工業(yè)、電子工業(yè)中制成許多高精度的電子元件。