8月25日是七夕節(jié)，不知道各位有送出禮物呢還是有收到禮物?但廈大20屆新生可是收到了最為“硬核”的禮物，一枚莫桑石制作的“鉆戒”，廈大招生辦公眾號(hào)曬出了“強(qiáng)基計(jì)劃”招生學(xué)院給物理系新生們準(zhǔn)備的見面禮。
什么是莫桑石?它的價(jià)值到底幾何?
莫桑石是“moissanite”英文的近音譯，也稱摩星石，是天然碳化硅晶體的俗稱，1893年法國化學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)這種天然碳化硅晶體，這種晶體在自然界極其罕見，只有隕石中或者超基性巖中才有零星發(fā)現(xiàn)!
比較有趣的是這些超基性巖比如金伯利巖也是鉆石的誕生地，不過自然界出產(chǎn)的碳化硅晶體的尺寸很小，根本就無法用來制作首飾級(jí)的寶石，說到這里，大家可能會(huì)認(rèn)為莫桑石比鉆石還罕見，而且寶石級(jí)的莫桑石還鳳毛麟角，那么它是不是鉆石還珍貴?
其實(shí)錯(cuò)了，莫桑石價(jià)格大約只有鉆石的十分之一，而且它已經(jīng)進(jìn)入了大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，由于莫桑石硬度極高，達(dá)到了9.25，和鉆石的硬度10相差不大，因此很多需要用鉆石級(jí)硬度應(yīng)用已經(jīng)比莫桑石代替。
而且莫桑石的折射率和色散都和鉆石差不多!也就是說，假如有人用一枚莫桑石制造的戒指，然后告訴你這是克拉級(jí)鉆戒，個(gè)人是很難分辨的!因此莫桑石在首飾行業(yè)還非常吃香，很多珠寶商家都有莫桑石鉆戒出售!
除了作為寶石級(jí)用途外，碳化硅更廣的是工業(yè)用途，比如磨料和切割工具以及結(jié)構(gòu)材料，另外還在天文上用作望遠(yuǎn)鏡鏡面材料，比如赫歇爾空間天文臺(tái)和同溫層紅外線天文臺(tái)就有碳化硅制造的鏡片!它還能摻雜氮或磷可以形成n型半導(dǎo)體而摻雜鋁、硼、鎵或鈹形成p型半導(dǎo)體，也就是制造芯片的材料!在功率電子元件上也被制造用來替代IGBT，取得更低的功耗等等!
碳化硅到底是怎么制造出來的，它和鉆石到底有多少差別?
其實(shí)碳化硅的來歷還真和鉆石有些關(guān)系，自從1797年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鉆石幾乎就有純碳組成后(碳的通俗異構(gòu)體)，就一直想通過人工制造的方法來大量生產(chǎn)鉆石，科學(xué)家也嘗試了N種鉆石的制造方法，所以碳化硅只是在無數(shù)種制造鉆石的方法中的一次意外!
1890年由愛德華·古德里奇·艾奇遜就是在嘗試鐵鍋中加熱硅酸鋁(黏土)和焦炭粉的混合物，計(jì)劃合成人造鉆石的過程中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)后來可以量產(chǎn)合成碳化硅的方法!不過它當(dāng)時(shí)以為碳和鋁化合物剛玉，因此被稱為金剛砂!
艾奇遜(E.G. Acheson)
1893年艾奇遜折騰出了工業(yè)生產(chǎn)碳化硅的方法，這就是后來大名鼎鼎的艾奇遜爐，這種方法是以碳質(zhì)材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅，這種爐一直被沿用至今。當(dāng)然碳化硅也不只是這種方法，還有比如熔融的單質(zhì)硅熔解單質(zhì)碳、將碳化硅和硅石的混合物熔化和在電爐中用單質(zhì)碳還原硅石的方法等等。
人造鉆石的“一波三折”
相對(duì)于碳化硅，鉆石制造難度完全不在同一個(gè)級(jí)別，鉆石的人工制造一直到1940年代才提出用CVD氣相沉積和HPHT高壓法生產(chǎn)鉆石，到1953年左右才有所突破!兩種方法難度都比較大，盡管已經(jīng)人工生產(chǎn)，但它的價(jià)格比起碳化硅來，仍然非常高，不過比天然鉆石，那是要便宜很多了(天然鉆石的1/10)!
氣相沉積法制造鉆石
材料學(xué)在科學(xué)上的意義!
廈大物理系給新生贈(zèng)送莫桑石鉆戒，其實(shí)挺有意義，首先就是材料科學(xué)的一課，將物理系這個(gè)干巴巴的科系和七夕節(jié)的“鉆戒”聯(lián)系在了一起，讓新生物理對(duì)于應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的用途有了非常直觀的認(rèn)識(shí)，一個(gè)小小的禮物，直接讓他們建立起對(duì)這門學(xué)科的興趣!
一般材料學(xué)一級(jí)學(xué)科的名稱是Materials Science and Engineering，翻譯成中文也就是材料科學(xué)與工程，有科學(xué)倆字在內(nèi)，那一般就是高大上的玩意兒，其實(shí)也沒錯(cuò)，材料學(xué)和人類基礎(chǔ)科學(xué)與工程技術(shù)進(jìn)步簡(jiǎn)直就幫助太多了!
比如現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，從發(fā)動(dòng)機(jī)前端到后端，工作環(huán)境從大氣環(huán)境到超高溫一千多度，而且還要保持?jǐn)?shù)萬轉(zhuǎn)的速度且強(qiáng)度不變，這是何等變態(tài)的材料?但如此難以制造的東西，材料學(xué)解決了!比如2018年中科院沈陽金屬研究所攻克的航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶高溫合金葉片鑄造技術(shù)，不僅解決了中國多種單晶葉片從無到有的問題，還大幅提升了國內(nèi)單晶葉片的合格率，推動(dòng)中國在單晶葉片鑄造技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
全球最先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟部位，采用的都是空心單晶葉片，每片空心葉片所受的離心拉伸應(yīng)力超過一噸，據(jù)說此技術(shù)還能被應(yīng)用與WS15發(fā)動(dòng)機(jī)!
除了這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)人人都知道外，在納米材料、新能源材料、生態(tài)環(huán)境材料都無法離開材料這門學(xué)科，比如碳納米管的制取，石墨烯電極的制備，超結(jié)構(gòu)材料的制造，生物醫(yī)學(xué)材料各種催化劑材料等等，這個(gè)行業(yè)基本就是一個(gè)點(diǎn)石成金的“煉金術(shù)士”!
但是學(xué)材料也要耐得住寂寞，因?yàn)椴牧虾芏鄷r(shí)候就和各種鋼鐵打交道，比如鐵碳合金、相圖金相以及鑄造焊接成型等等，似乎有些偏離材料的門道，但這些都是基礎(chǔ)，往后會(huì)越來越深入，材料學(xué)，本科只是學(xué)個(gè)基礎(chǔ)，博士剛剛起步，各位大佬們，慢慢學(xué)，拯救地球要靠各位了!
關(guān)鍵詞： 莫桑石
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