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漂亮石头是怎样“造”成的

少儿悦读 来源:央视网 2017年12月04日 14:45 A-A+ 二维码
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  央视网消息:每个女孩子在步入婚姻殿堂之前,最喜欢谈论的话题莫过于婚戒,渴望可以带上梦寐以求的大钻戒,它不仅仅是体现价值的所在,而且是表现对彼此间爱情的永恒期许。在这先普及一下它的前生来源的故事——石头。

  最平常的石头也不寻常,它可能蕴涵地球光荣的过去、千变万化的现在和难以想象的未来。美国俄亥俄州克利夫兰自然历史博物馆馆长戴维·萨哈(David Saja)说,一块石头所蕴涵的信息足够写成整整一本书。

  别以为拿块石头来研究地球花费不多,在美国的麻省理工学院,地球物理学家用价值3000美元的钻石来研究地球内部深处的岩石,以及温度和压力是如何影响它们的。七年间,50粒钻石被这些科学家粉碎。除了科学的严肃,石头也带着时尚的绚丽。人类对漂亮石头的追求由来已久,人们将大岩石形成的怪异景物保护起来,成为自然景观;或者满世界去寻找独一无二的宝石,为自己所拥有、世代相传,或者获得暴利。

  本书告诉你漂亮的石头是怎么造出来的,其中一种有趣的方式是只需要一缕头发,你身体中的碳原子就可以被提取出来,制成钻石,与来自特别的人或物身上的碳原子一起经历时间的考验。同样神奇的,还有琥珀中最古老的蜘蛛网和保存了不知道多少年的微生物。琥珀闪烁着微光,冻结着历史。这本书让你体会到:历史可以被冻结;时间隧道可以被建筑;永恒和完美真的存在。

  宝石就是外表漂亮的石头。正因为美丽,它们被打造成珠宝以及其他装饰品。粗糙的原石经过仔细雕琢、造型、抛光,成为最终的宝石。恰到好处的化学成分,遇到恰到好处的地理条件,天然宝石矿石才能形成。这些特殊的石头在地球上十分稀有,很难找到并且很难提取,这就是它们价格昂贵的原因。正是由于人们对漂亮石头的追求,科学家、工程师们发明了人造的方法来制造宝石。

  碳是要素

  无论是天然宝石还是人造宝石,都是由原子组成的。事实上,所有物质都由原子组成,宝石当然也不例外。大多数宝石呈晶体状。在晶体状态中,原子排列很规则,并呈周期性重复。钻石是排列最简单、外观最漂亮的晶体质宝石。纯钻石只由一种原子组成—碳原子。钻石中的碳原子以正四面体状排列,每一个碳原子与另外四个碳原子相连。这种牢固的连接方式铸就了钻石极其坚固的特性,所以钻石做成的珠宝尤其持久。钻石晶体是透明的,它们的对称面反射着光泽,这种透明的闪光使得钻石看上去无比美丽炫目。但我们要知道,排列规则的碳原子并不都是这么闪耀的。

  石墨同样只由碳原子构成,这是另一种形式的碳,铅笔中的铅就是这种物质。石墨中的碳原子并没有按照正四面体状排列,相反,它们是一个六角平面。这样的平面并排形成一整个薄层,层层堆积。由此形成的石墨既不透明,也不闪耀,而是呈块状,无光泽,灰色。由于每一个碳原子都只与其他三个碳原子连接,因此石墨比钻石柔软得多—一块橡皮就能轻易地擦去石墨。这一特性对于书写工具非常实用,尤其对于容易有书写错误的人来说更是如此。但是,它绝对不适合做订婚戒指。

  由多种原子构成

  与钻石不同,大多数宝石由不止一种原子构成。红宝石与蓝宝石都由排列规则的铝原子和氧原子组成。红宝石之所以是红色的,是因为一个铬原子偶然代替了铝原子。因此可以说,红宝石那玫瑰色的美丽是由某种不完美而造就的。蓝宝石的蓝色是因为铁原子或钛原子替代了原本的铝原子。制作一块翡翠需要更多种的原子。翡翠这种宝石被叫做绿玉,含有铍、铝、硅、氧几种原子。如果一种宝石只由这四种原子构成,它就会没有颜色,而翡翠的晶体结构中包含了铬原子,因此呈现绿色。如果绿玉里含有铁原子,就形成海蓝宝石。

  有一种极其复杂的晶体宝石叫做电气石,这种宝石由将近15种原子构成。电气石中的原子排列非常有规律,但是一块宝石中又可以有几种不同的排列方式。因此,一块电气石会呈现出多种颜色。比如西瓜电气石的内层是鲜红色的,外层却是绿色的。

  制造特性

  有些宝石会呈现某种特性。星芒是一些宝石特有的星状杂质。著名的印度之星就是一块星芒蓝宝石(这块宝石收藏在位于纽约的美国自然历史博物馆中,是该馆永久矿石收藏的一员)。印度之星的星芒是由钛和氧两种原子淀积为针状而成的。这种杂质物与蓝宝石晶体的反光方式不同,因此宝石呈现迷人的光芒。“猫眼”是一种类似于星芒的宝石特性,猫眼石里的杂质只能以某种角度反光,造就了这种漂亮石头转动时好像眨眼的效果。其他天然宝石有些宝石体积并不是很大,也并非独立的晶体,而是晶体的集合体。玉石、绿松石和天青石由很多小晶体构成,这就是它们不透明的原因。猫眼石这种宝石外观就呈不透明状。而且,猫眼石本身就不是晶体。猫眼石其实是一种固态胶体,由硅、氧两种原子以及水分子共同构成。猫眼石中的含水量可高达20%。黑曜石是一种漂亮的非晶体宝石。它是由于火山熔岩冷却太快,导致其中的原子排列不规则而形成的。黑曜石中的原子并不以重复规律排列而行成的,所以这种石头本质上属于玻璃。

  天然与人工虽然种类繁多,但所有宝石都是由原子的完美排列形成的。数亿年来,大自然一直在努力制造出漂亮的石头;一个世纪前,人类也开始学习这一制造过程。1902年,人类第一次通过工业合成了宝石—法国化学家奥古斯特.韦尔讷伊使用高温焰熔化了氧化铝,之后在一定条件下冷却铝和氧原子,由此重新排列原子,制成人造红宝石。20世纪50年代,人类首次合成人造钻石。人造钻石在工业上被用于切割、钻孔,还有打磨。随后,制造钻石的工艺得以提高,而且更为复杂。现在制作高品质的人造钻石只需要数天时间。

  事实上,人们已经太精于制作美石,导致天然宝石和人造宝石难以区分。有时专业的宝石专家都会上当受骗。天然宝石和人造宝石的制作过程并不相同,但构成它们的原子以及这些原子的排列规律没有差别。因此,人造宝石与天然宝石有着相同的化学、物理和光学特性。有时候,区分人造宝石与天然宝石的最好方法是观察瑕疵。天然宝石更可能含有杂质或结构性裂纹。由于天然宝石的形成历经多年,周围环境变化会造成某些不规则现象。而人造宝石上面可能出现小气泡,或是其他泄露合成制造过程的迹象。经过专业训练的内行宝石专家使用某些仪器,能够做出很精准的判断。

  天然宝石和人造宝石还有一个重要区别,就是个人品位。天然宝石的形成是一种特殊的化学和地理现象。经过一段难以想象有多长的时间后,在罕见、偶然的条件下,形成了这些独一无二又美丽的石头。但是天然石头是一种日渐减少的资源,开采这种矿藏也很危险。人造宝石是在一种更安全,或许不那么浪漫的环境下制造而成的。它们比任何天然宝石都纯净,而且结构更近乎完美。喜欢哪种宝石因人而异。如果你能拥有一块属于自己的独一无二的漂亮宝石,你会在乎它是怎么形成的吗?


  人们如何制造漂亮石头

  人们制造钻石通常有两种方法。第一种是使用高温高压,让石墨样本的碳原子重新排列,做成钻石。这种所谓的HTHP(高温高压)法尤其适合用来批量制作工业用途的钻石。第二种常用的方法叫做化学蒸汽淀积(CVD)法。这种方法利用碳氢化合物气体,例如甲烷,来制造钻石。碳氢化合物气体经受来自激光的高能量爆炸,爆炸释放出的碳原子冷却并结晶形成钻石。CVD方法经常用于制造实验室研究用的钻石,也用于制作电子元件所需的高品质钻石。

 

 

  在美国华盛顿的卡内基研究院地球物理实验室,拉塞尔·哈姆里教授牵头成立的研究小组将这两种方法结合起来。先使用CVD方法制作钻石,再用高温高压方法处理。最终他们成功制出了体积大、质量高且格外坚硬的钻石。这些钻石既好看又坚硬,更重要的是制作过程短,可以满足市场需求。哈姆里教授研究小组用这些钻石作为研究工具,尤其是高压试验中用到的钻石对顶砧。

 

  怎样成为一块漂亮石头

  石墨和碳氢化合气体并不是世界上唯一的碳源。碳原子同时也是碳水化合物、蛋白质、基因以及其他复杂有机分子的基本成分。“生命宝石”是美国芝加哥一家公司通过提取生物体中的碳原子制作出的钻石。该公司取得了该项技术的专利。现在,只需要一缕头发,从头发中提取碳原子,与其他碳原子混合,就能造出生命宝石。利用这一技术,你身体中的碳原子,和来自某个特别的人身上的碳原子,甚至是来自你的宠物的碳原子,将被制成一块美丽的石头,一起经历时间的考验。

  这恰恰回到故事的开始,一段美丽的婚姻,就像一块漂亮的石头,被爱情雕琢的如此光彩夺目,但只有他们经历的沧桑的岁月和生活中的平凡故事洗礼后,才能真正感受并体会到它存在的意义和价值。

 

 

《尖端科学》第一辑之石头传奇

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