金刚石，三维骨架结构，坚硬，不导电

石墨，层状结构，柔软，导电

球烯，60个碳组成足球结构，具超导性

碳纳米管，细管径小至1个纳米左右，硬度极高，导体、半导体

　　提及晶体人们首先会联想到晶莹剔透的水晶、美丽的雪花和冰晶，殊不知，人类正是生活在晶体的世界里。我们居住的楼房所用的建筑材料是晶体，我们行走的道路铺设的砂石是晶体，我们食用的糖和盐是晶体，我们穿戴的布饰是纤维晶体所制，人人都喜爱的珍珠、宝石更是呈现了晶莹的晶体品位。在人类科学技术发展史上，晶体材料须臾不可或缺，尤其在当今时代，人类对新材料的需求更是空前地迫切和广泛。

认识晶体

　　晶体材料是地球奉献给人类的宝藏之一。在距今近万年前的旧石器时代晚期，中国的先祖就发现并使用了玉这种天然晶体材料，创立了中国特有的玉文化。而关于晶体的外形性状，宋代学者苏颂在公元1070年《本草图经》中就记载有“云母生于石间，作片成层，可析；明滑光白者为上……”，又谈到石英晶体六面“如刀削”，方解石晶体有“方棱”等等。然而把对晶体材料的观察系统化、理性化并阐明晶体的微观内部结构则是十七世纪中叶欧洲人创立的“结晶学”。晶体是什么？和世界上的一切物质一样，晶体是由微观的、“线度”在亿分之几公分数量级的原子组成的，是一种具有由原子或分子以对称性、周期性和规律性建造内部结构的固体。结晶状态是固体所特有的，而非晶质状态例如玻璃，可以说会逐渐地，可能是很长时间地转变为晶体。地球上绝大多数的固体物质都是结晶质的，但不是所有的存在状态都有十分美丽的多面体外形，有很大部份是以细小的，有时肉眼都看不到的微粒组成的多晶体，但这些看起来并不美观的微粒其内部结构同样是规则的，漂亮的。自从1895年德国物理学家伦琴发现了Ｘ射线后，1912年他的同胞劳厄获得世界上第一张呈现对称斑点图案的晶体材料X射线衍射照片。X射线结构分析方法是研究晶体结构的基本方法。如今，只要用一颗直径0.3毫米左右的单晶颗粒收集X 射线衍射数据，通过数学处理就能分析出晶体的结构，对于一些简单的结构，利用粉末样品或多晶样品也可得到许多有价值的晶体结构信息。

　　晶体材料不仅有美丽的内部空间结构，同时也具有多才多艺的特性。中国的古书中大量记载有各种晶体在医疗、工艺、冶金甚至军事上的应用。随着近代科学技术的发展，晶体材料已经广泛应用于电子、激光、红外、通讯、记忆、显示、催化、节能等等领域。晶体的所有“才能”（或称性质）都显示了几个共性：

　  (1) 各向异性。即不同方向的物理、化学性质不同，除了仅占晶体总数百分之几的少数均质晶体外。

　  (2) 同素异形体的性质迥异。例如，由碳原子组成的化合物迄今已发现4种结构不同的同素异形体，即金刚石、石墨、球烯和碳纳米（如图）。

　  (3)晶体微粒的大小对性能有极大的影响，这促成了上世纪80年代中期纳米材料的发现和发展。1纳米长度为千万分之一公分，凡颗粒为１~100纳米的晶体材料称为纳米材料。特别是,在此期间，晶体学又有了令世人惊奇的突破，这就是发现了“准晶体”，这是一种在一个或几个基本方向上其原子排列呈现有序地偏离周期性的准周期结构，准晶体是晶体材料中年轻的发展方向，正方兴未艾。

开发晶体

　　这些构成丰富、性质多样的天然晶体材料，是经过千百万年不断循环的地球活动形成的。地球上所有的化学元素都呈现为特殊化合物的状态存在于地壳之下炽热的岩浆中，似相互熔解，但岩浆内的温度、压力及化学成份并非稳定不变，倘若岩浆从较深处升向地表，此时温度下降，压力小了，岩浆开始冷却并发生了复杂的物理化学作用，分解出许多化合物，有些冷凝得快，有些慢，因而形成了各种矿石。水蒸汽和挥发性化合物积聚在残余的熔融体中，这些东西充填地壳的裂隙并慢慢冷却，析出各种矿物，沉淀于裂缝壁上，这就是“矿脉”。如堪称国之美石的福州寿山石。亿万年前地壳剧烈变化形成火山喷发，火山岩与地下水、地下矿物质混合形成热液，通过石头的断层从缝隙中挤压、渗透、凝固，又经过风、水、田地、气候千百年的洗炼才形成各种石质温润的寿山石，其主要成分是多层硅酸盐结构的叶腊石，大自然力量之神奇和伟大由此可见一斑。对于如此珍贵的天然宝藏，合理开发是遵循自然的本性以造福人类，而过度开采甚至劫掠最终受损的必定是人类自己。福州市政府在2000年初发布实施了《福州市寿山石资源保护管理办法》，用法律来保护寿山石资源。

培养晶体

　　尽管在浩瀚的大自然面前，人类宛如极为渺小的微沙粒，但人类可以借自然之力开拓光明的科学道路以适应生存和发展的需求。培养人工晶体就是人类洞悉自然奥秘后的一项重大创造活动。自然界的晶体大部分是细小的，不规则不均匀或含有杂质的，另外，有些技术上需要的晶体例如钻石，在自然界稀少而贵重。庆幸的是，人们从对天然晶体形成过程的认识中得到种种启示，如今可以根据待培养的晶体种类，采用水溶液法、高温高压法、熔剂法、提拉法、坩埚下降法、电解法、蒸汽法等等培养出大自然中难以得到的成形而纯洁的单晶体，抑或以控制生长条件获得形状、尺寸合适的成批晶体。

设计晶体

　　设计晶体是人类在晶体材料的利用上从必然王国朝向自由王国的又一重大进步，这里的设计就是使该晶体的内部结构，即其原子或原子基团的排列能满足所要求性能的需要。纳米材料是21世纪人工设计晶体材料中不能不提到的一种类型。纳米材料具有异乎寻常的优越性能，例如强度大、熔点低、孔径小而利于气体的吸附和脱附等等。上文所提到的球烯和碳纳米管就属于纳米材料。球烯由60个碳原子组成足球状的空心笼状结构，是目前对称性最高的球状分子，球直径约为0.71纳米，具有超导性，并可制造多种纳米产品。碳纳米管是由单原子层的石墨卷曲成管状，外加两颗作为封盖的半球状碳簇，形成细小的管子，管径可小至0.4~0.5纳米。据报载，数十万根纳米碳管捆在一起其粗细仅与一根头发丝相当，它也可由球烯拉长形成另一类纳米管，其强度是钢的100倍，比重只有钢的1/6，具有高导热性、柔软度及化学稳定性，可制备纳米电子器件。氢气被视为洁净的可再生能源，而碳纳米管是最佳的储氢材料，并可控制污染。纳米碳管被称为21世纪的新材料，未来最佳纤维的首选。2000年我国香港科技大学物理系制得了直径为0.4纳米的单壁碳管并发现其呈现特殊的一维超导特性。同年中科院物理所也制成了直径为0.5纳米的多壁碳管，证实它具有优良的电流承载能力。中科院福建物质结构所近年开辟的光学和催化剂的纳米材料研究工作已渐入佳境。

晶体材料是自然的恩赐，设计晶体不仅能造福人类，同时也能保护自然。

（本文曾发表在《科学与文化》2008/10）