七夕节最“硬核”礼物:厦大物理系新生的钻戒,莫桑石是啥东西?
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发布时间：2022-04-29 00:33
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时间：2022-06-26 12:46
8月25日是七夕节，不知道各位有送出礼物呢还是有收到礼物？但厦大20届新生可是收到了最为“硬核”的礼物，一枚莫桑石制作的“钻戒”，厦大招生办公众号晒出了“强基计划”招生学院给物理系新生们准备的见面礼。
什么是莫桑石？它的价值到底几何？
莫桑石是“moissanite”英文的近音译，也称摩星石，是天然碳化硅晶体的俗称，1893年法国化学家首先发现这种天然碳化硅晶体，这种晶体在自然界极其罕见，只有陨石中或者超基性岩中才有零星发现！
比较有趣的是这些超基性岩比如金伯利岩也是钻石的诞生地，不过自然界出产的碳化硅晶体的尺寸很小，根本就无法用来制作首饰级的宝石，说到这里，大家可能会认为莫桑石比钻石还罕见，而且宝石级的莫桑石还凤毛麟角，那么它是不是钻石还珍贵？
其实错了，莫桑石价格大约只有钻石的十分之一，而且它已经进入了大规模的工业化生产，由于莫桑石硬度极高，达到了9.25，和钻石的硬度10相差不大，因此很多需要用钻石级硬度应用已经比莫桑石代替。
而且莫桑石的折射率和色散都和钻石差不多！也就是说，假如有人用一枚莫桑石制造的戒指，然后告诉你这是克拉级钻戒，个人是很难分辨的！因此莫桑石在首饰行业还非常吃香，很多珠宝商家都有莫桑石钻戒出售！
除了作为宝石级用途外，碳化硅更广的是工业用途，比如磨料和切割工具以及结构材料，另外还在天文上用作望远镜镜面材料，比如赫歇尔空间天文台和同温层红外线天文台就有碳化硅制造的镜片！它还能掺杂氮或磷可以形成n型半导体而掺杂铝、硼、镓或铍形成p型半导体，也就是制造芯片的材料！在功率电子元件上也被制造用来替代IGBT，取得更低的功耗等等！
碳化硅到底是怎么制造出来的，它和钻石到底有多少差别？
其实碳化硅的来历还真和钻石有些关系，自从1797年科学家发现钻石几乎就有纯碳组成后（碳的通俗异构体），就一直想通过人工制造的方法来大量生产钻石，科学家也尝试了N种钻石的制造方法，所以碳化硅只是在无数种制造钻石的方法中的一次意外！
1890年由爱德华·古德里奇·艾奇逊就是在尝试铁锅中加热硅酸铝（黏土）和焦炭粉的混合物，计划合*造钻石的过程中发现了这个后来可以量产合成碳化硅的方法！不过它当时以为碳和铝化合物刚玉，因此被称为金刚砂！
艾奇逊（E.G. Acheson）
1893年艾奇逊折腾出了工业生产碳化硅的方法，这就是后来大名鼎鼎的艾奇逊炉，这种方法是以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅，这种炉一直被沿用至今。当然碳化硅也不只是这种方法，还有比如熔融的单质硅熔解单质碳、将碳化硅和硅石的混合物熔化和在电炉中用单质碳还原硅石的方法等等。
人造钻石的“一波三折”
相对于碳化硅，钻石制造难度完全不在同一个级别，钻石的人工制造一直到1940年代才提出用CVD气相沉积和HPHT高压法生产钻石，到1953年左右才有所突破！两种方法难度都比较大，尽管已经人工生产，但它的价格比起碳化硅来，仍然非常高，不过比天然钻石，那是要便宜很多了（天然钻石的1/10）！
气相沉积法制造钻石
材料学在科学上的意义！
厦大物理系给新生赠送莫桑石钻戒，其实挺有意义，首先就是材料科学的一课，将物理系这个干巴巴的科系和七夕节的“钻戒”联系在了一起，让新生物理对于应用科学领域的用途有了非常直观的认识，一个小小的礼物，直接让他们建立起对这门学科的兴趣！
一般材料学一级学科的名称是Materials Science and Engineering，翻译成中文也就是材料科学与工程，有科学俩字在内，那一般就是高大上的玩意儿，其实也没错，材料学和人类基础科学与工程技术进步简直就帮助太多了！
比如现代航空发动机的叶片，从发动机前端到后端，工作环境从大气环境到超高温一千多度，而且还要保持数万转的速度且强度不变，这是何等*的材料？但如此难以制造的东西，材料学解决了！比如2018年中科院沈阳金属研究所攻克的航空发动机单晶高温合金叶片铸造技术，不仅解决了中国多种单晶叶片从无到有的问题，还大幅提升了国内单晶叶片的合格率，推动中国在单晶叶片铸造技术领域达到国际领先水平。
全球最先进的航空发动机燃气涡轮，也就是发动机的心脏部位，采用的都是空心单晶叶片，每片空心叶片所受的离心拉伸应力超过一吨，据说此技术还能被应用与WS15发动机！
除了这个发动机人人都知道外，在纳米材料、新能源材料、生态环境材料都无法离开材料这门学科，比如碳纳米管的制取，石墨烯电极的制备，超结构材料的制造，生物医学材料各种催化剂材料等等，这个行业基本就是一个点石成金的“炼金术士”！
但是学材料也要耐得住寂寞，因为材料很多时候就和各种钢铁打交道，比如铁碳合金、相图金相以及铸造焊接成型等等，似乎有些偏离材料的门道，但这些都是基础，往后会越来越深入，材料学，本科只是学个基础，博士刚刚起步，各位大佬们，慢慢学，拯救地球要靠各位了！
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时间：2022-06-26 12:46
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时间：2022-06-26 12:47
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