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晶体在我们身边
  文章来源: 发布时间:2002-06-18 【字号: 小  中  大   

上海硅酸盐研究所研究员 徐家跃
材料的发现、发展和应用是人类文明的标志。从远古的石器时代、青铜器时代到近现代的铁器时代、硅时代,新材料在人类文明进程中都扮演了重要的角色。特别是近代科学的诞生,大大促进了材料科学与技术的发展。大体上,材料可分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料三大类。在材料科学的百花园中有一朵光彩夺目的奇葩--晶体材料。当我们使用电脑上网时,当母亲为我们烹饪美味佳肴时,当我们轻按按钮打开电视、空调时,当我们用手机与朋友通话时,当父亲送给我们第一块电子手表时,当新郎为新娘戴上光彩夺目的钻戒时,朋友,你可曾想到,发生在我们身边的这些日常大事小事都与晶体有关。就在刚刚回收成功的神州三号飞船上,还有我们的晶体生长实验呢!科学家想知道,在几乎没有重力的太空中,晶体生长过程会有哪些新现象?
说到晶体,还得从结晶谈起。大家都知道,所有物质都是由原子或分子构成的。这些原子或分子非常小,只有当它们聚集在一起时我们才能看得见。物质有三种聚集态:气体、固体和液体。固体有晶体和非晶体之分。原子按照一定的规律排列形成长程有序的固体,就是晶体,这个过程就叫结晶。我们日常吃的盐和味精分别是氯化钠和谷氨酸钠的结晶,冬天玻璃窗户上的冰花和天上飘下的雪花都是水的结晶。科学家研究发现,巧克力放在一定温度的冰箱中味道会更好,这是因为在冷藏过程中,某些成分的结晶使其表现出好的味感。现在很多科学家致力于控制药物的结晶,因为对于同一种化合物,某些晶体结构的药物会对疾病有特佳的疗效而另一些晶体结构则完全没有疗效。
由于晶体中原子是规则排列的,所以晶体在不同方向上表现出不同的性能,即晶体的各向异性。晶体在某些方向上的性能被加强了,从而表现出神奇的功能。压电晶体可以把压力(机械能)变成电能,遥控器、电子表、手机、声纳等都是利用压电晶体或其他压电材料来实现能量转换的;利用激光晶体设计的激光器,通电后能够产生各种激光;非线性光学晶体可以把入射光的频率增加一倍或数倍,比如红光照到倍频晶体时能够产生绿光;当高能粒子入射到闪烁晶体上时会发出耀眼的光芒,光电探测器记录这些光子数,就可以计算出入射粒子的能量,科学家利用这一原理进行高能物理实验和宇宙射线的探测;有些晶体对热特别敏感,利用热释电晶体制作的红外夜视仪,可以在伸手不见五指的黑夜观察到人、动物以及汽车、坦克等具有热辐射的事物,被称为现代武器装备中的“千里眼”;最神奇的还要数半导体晶体,自从1958年第一块集成电路诞生以来,科学家不断地发展集成电路技术,现在已经能够在米粒大小的硅片上集成数十万乃至数百万个晶体管等电子元件,这就是我们的计算机从“386”迅速发展更新到“奔Ⅳ”的原因。
自然界中的大多数矿石都是晶体。但我们身边所用的晶体基本上都是人工晶体。科学家们发明了很多晶体生长技术,比如提拉法、下降法、区熔法、焰熔法、水热法、温梯法等。由于晶体生长不仅需要科学技术,而且需要丰富的经验,所以晶体生长是一门"科学加艺术"的学问。我国科学家在晶体生长领域做出了卓越的贡献,在国际上享有崇高的声誉,如中国科学院上海硅酸盐研究所研制的闪烁晶体、福建物质结构研究所研制的非线性光学晶体、山东大学晶体材料研究所研制的光学晶体等,形成了丰富多彩的中国晶体产品,被国外誉为"中国牌"晶体。近年来,上海硅酸盐研究所研制的四硼酸锂晶体销往日本、韩国等地,用于制作性能优异的移动通讯器件,包括先进的手机。说不定你的手机里,还跳动着一颗中国芯!

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