材料科学与工程虚拟博物馆

其实，水晶是二氧化硅的结晶，也叫石英。天然水晶主要分布在南美洲和亚洲，其中以南美的巴西水晶藏量最为丰富，世界上天然水晶出口主要来自巴西、乌拉圭等南美国家。巴西发现的长度6.1米、宽1.5米、重100余吨的水晶，被认为是迄今为止世界上最大的天然水晶。巴西还是紫水晶的主要产地。在我国，位于黄海之滨的江苏省东海县被称为水晶之乡。1958年，在东海县房山镇地下挖出一块高约2米、宽达1米、重3.5吨的水晶单体，号称“水晶王”，现存于中国地质博物馆。毛主席纪念堂里存放的水晶棺采用的就是东海水晶。

天然水晶石通常呈现为六棱柱状，柱体为一头尖或两头尖，多条长柱体连结在一块，形成水晶晶族，千姿百态，蔚为壮观。由于在熔岩凝固时存在各种杂质，天然水晶会呈现出不同的颜色，如白水晶、紫水晶、黄水晶、粉水晶、绿幽灵等。除了杂质，天然水晶还容易出现包裹体，有气态包裹体，也有液态和固态包裹体。含有液体包裹体的水晶，俗称为“水胆水晶”，是雕刻工艺品的珍贵材料。有的水晶中有一根根细如发丝的包裹体，俗称“发晶”，是收藏佳品，生意人收藏它还可图个口彩！

水晶比重为2.65左右，摩氏硬度为7，折光率1.54~1.55，熔点1713℃。室温下水晶属六方晶系，从室温到熔点存在多种结构相变，主要有α石英、β石英和γ石英及鳞石英、方石英等七种亚结构。水晶是较早发现的天然晶体，但人工生长水晶起步较晚。由于存在复杂相变，人们很难从高温石英熔体直接凝固生长出石英单晶。而天然水晶由于含有各种杂质，一般只能用于装饰品。1880年，法国科学家皮埃尔·居里发现了水晶的压电性；第一次世界大战期间，法国著名科学家朗之万教授基于水晶压电性率先制作出声呐，并服务于海军舰船，从此水晶作为重要的压电材料引起了人们的广泛重视。说起人工水晶生长研究，它还有一个充满戏剧性的故事呢！

意大利科学家Spezia是人工水晶生长研究的开拓者。1909年，他首次报道了采用水热法生长水晶的研究结果，获得了小块人工水晶。现在每年数千吨人工水晶都是水热法生长的。一般来说，晶体生长方法多以发明者的名字命名，以示尊重和纪念。比如，火焰法被命名为Verneuil法，提拉法被命名为Czochralski法，下降法被命名为Bridgman法，等等。遗憾的是，Spezia的工作长期被忽视了，直到他1912年去世后一直没有人延续或重复他的工作。因此，水热法没有像其他晶体生长方法那样，被命名为Spezia法。直到第一次世界大战期间，法国科学家首次利用水晶的压电特性研制出声纳器件，并用来探测德国的潜艇，这才刺激西方主要国家对水晶生长研究的重视。

南美洲是天然水晶的主产地。作为重要的战略物资，美国大量从巴西进口天然水晶，而远在欧洲的德国、英国等国家由于无法从巴西获得水晶资源，特别重视人工水晶的研究。Spezia方法的一个致命弱点是生长速率慢，每天只能生长0.25mm，无法实行工业化。为了获得大尺寸晶体，英国剑桥大学科学家Brown等人采用多次加料办法，获得了一定尺寸的晶体。到1945年，基于人工水晶的石英振荡器开始在军中服役。后来，Brown等人详细研读Spezia的论文，大胆采用碎石英作为原料，并改进生长炉的梯度，大大提高了水晶的生长速率。他还发现了不同方向籽晶对晶体生长的影响。在临界速率下，沿z方向生长具有良好的质量和速率，z方向生长发展为后来的Y-bar籽晶。但是，Brown当时没有能够说服公司申请特殊生长方向的专利，以致于美国公司捷足先登，采用此工艺生长工业水晶大发其财。为此，英、美两家主要水晶公司打了多年的知识产权官司，直到此方法在全球相当普及才不了了之。

随着通讯产业的发展及其向中国的转移，水晶生产大国也从日本逐渐转移到中国，目前我国水晶年产量在2000吨以上，但高质量水晶主要依靠进口，还算不上水晶生产强国。日本科学家总结水晶研究历程时说，水晶生长起源于欧洲，商业化在美国，而形成规模在日本，这似乎是近代科学技术发展的一个固定模式。我们可以再加上一句，水晶产业的最后归宿在中国，因为从电视、石英表到通讯用频率器件，这些涉及水晶工业应用的大产业都在中国。