七夕節最「硬核」禮物：廈大物理系新生的鑽戒，莫桑石是啥東西？

2020-09-03 星辰大海路上的種花家

8月25日是七夕節，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，一枚莫桑石製作的「鑽戒」，廈大招生辦公眾號曬出了「強基計劃」招生學院給物理系新生們準備的見面禮。

什麼是莫桑石？它的價值到底幾何？

莫桑石是「moissanite」英文的近音譯，也稱摩星石，是天然碳化矽晶體的俗稱，1893年法國化學家首先發現這種天然碳化矽晶體，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現！

比較有趣的是這些超基性巖比如金伯利巖也是鑽石的誕生地，不過自然界出產的碳化矽晶體的尺寸很小，根本就無法用來製作首飾級的寶石，說到這裡，大家可能會認為莫桑石比鑽石還罕見，而且寶石級的莫桑石還鳳毛麟角，那麼它是不是鑽石還珍貴？

其實錯了，莫桑石價格大約只有鑽石的十分之一，而且它已經進入了大規模的工業化生產，由於莫桑石硬度極高，達到了9.25，和鑽石的硬度10相差不大，因此很多需要用鑽石級硬度應用已經比莫桑石代替。

而且莫桑石的折射率和色散都和鑽石差不多！也就是說，假如有人用一枚莫桑石製造的戒指，然後告訴你這是克拉級鑽戒，個人是很難分辨的！因此莫桑石在首飾行業還非常吃香，很多珠寶商家都有莫桑石鑽戒出售！

除了作為寶石級用途外，碳化矽更廣的是工業用途，比如磨料和切割工具以及結構材料，另外還在天文上用作望遠鏡鏡面材料，比如赫歇爾空間天文臺和同溫層紅外線天文臺就有碳化矽製造的鏡片！它還能摻雜氮或磷可以形成n型半導體而摻雜鋁、硼、鎵或鈹形成p型半導體，也就是製造晶片的材料！在功率電子元件上也被製造用來替代IGBT，取得更低的功耗等等！

碳化矽到底是怎麼製造出來的，它和鑽石到底有多少差別？

其實碳化矽的來歷還真和鑽石有些關係，自從1797年科學家發現鑽石几乎就有純碳組成後（碳的通俗異構體），就一直想通過人工製造的方法來大量生產鑽石，科學家也嘗試了N種鑽石的製造方法，所以碳化矽只是在無數種製造鑽石的方法中的一次意外！

1890年由愛德華·古德裡奇·艾奇遜就是在嘗試鐵鍋中加熱矽酸鋁（黏土）和焦炭粉的混合物，計劃合成人造鑽石的過程中發現了這個後來可以量產合成碳化矽的方法！不過它當時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生產碳化矽的方法，這就是後來大名鼎鼎的艾奇遜爐，這種方法是以碳質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矽，這種爐一直被沿用至今。當然碳化矽也不只是這種方法，還有比如熔融的單質矽熔解單質碳、將碳化矽和矽石的混合物熔化和在電爐中用單質碳還原矽石的方法等等。

人造鑽石的「一波三折」

相對於碳化矽，鑽石製造難度完全不在同一個級別，鑽石的人工製造一直到1940年代才提出用CVD氣相沉積和HPHT高壓法生產鑽石，到1953年左右才有所突破！兩種方法難度都比較大，儘管已經人工生產，但它的價格比起碳化矽來，仍然非常高，不過比天然鑽石，那是要便宜很多了（天然鑽石的1/10）！

氣相沉積法製造鑽石

材料學在科學上的意義！

廈大物理系給新生贈送莫桑石鑽戒，其實挺有意義，首先就是材料科學的一課，將物理系這個乾巴巴的科系和七夕節的「鑽戒」聯繫在了一起，讓新生物理對於應用科學領域的用途有了非常直觀的認識，一個小小的禮物，直接讓他們建立起對這門學科的興趣！

一般材料學一級學科的名稱是Materials Science and Engineering，翻譯成中文也就是材料科學與工程，有科學倆字在內，那一般就是高大上的玩意兒，其實也沒錯，材料學和人類基礎科學與工程技術進步簡直就幫助太多了！

比如現代航空發動機的葉片，從發動機前端到後端，工作環境從大氣環境到超高溫一千多度，而且還要保持數萬轉的速度且強度不變，這是何等變態的材料？但如此難以製造的東西，材料學解決了！比如2018年中科院瀋陽金屬研究所攻克的航空發動機單晶高溫合金葉片鑄造技術，不僅解決了中國多種單晶葉片從無到有的問題，還大幅提升了國內單晶葉片的合格率，推動中國在單晶葉片鑄造技術領域達到國際領先水平。

全球最先進的航空發動機燃氣渦輪，也就是發動機的心臟部位，採用的都是空心單晶葉片，每片空心葉片所受的離心拉伸應力超過一噸，據說此技術還能被應用與WS15發動機！

除了這個發動機人人都知道外，在納米材料、新能源材料、生態環境材料都無法離開材料這門學科，比如碳納米管的製取，石墨烯電極的製備，超結構材料的製造，生物醫學材料各種催化劑材料等等，這個行業基本就是一個點石成金的「鍊金術士」！

但是學材料也要耐得住寂寞，因為材料很多時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，往後會越來越深入，材料學，本科只是學個基礎，博士剛剛起步，各位大佬們，慢慢學，拯救地球要靠各位了！

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