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地球最硬礦物,鑽石冠軍地位不保
2009/08/23 09:57
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地球最硬礦物,鑽石冠軍地位不保?

文章來源: 科學人網站easy learn http://sa.ylib.com/saeasylearn/saeasylearnshow.asp?FDocNo=1436&CL=72

文╱郭怡君
審稿╱台灣大學地質系教授 黃武良

光彩奪目、價值昂貴的鑽石,以「永久流傳」的形象深植人心,它能夠「恆久遠」的主因之一,在於具有超高硬度,不易磨損毀壞。鑽石的硬度奧秘何在?還有比鑽石更硬的礦物嗎

今年2月,《物理評論通訊》(Physical Review Letters)以「比鑽石還硬」為標題,刊出兩種抗壓能力高強的罕見物質「Wurtzite BN」(纖鋅礦型氮化硼)、「Lonsdaleite」(六方體鑽石)的論文。長期穩坐地球最硬礦物寶座的鑽石,似乎遭遇了空前挑戰,引發許多人好奇:最硬礦物的冠軍莫非就此易主?

正四面體碳原子鍵結,架起穩固結構

 要了解這個問題,先來看看礦物硬度的定義。一般礦物是指天然結晶的物質,「硬度」定義分成相對硬度和絕對硬度兩種。前者如奧地利礦物學家摩氏(Frederich Mohs)用摩擦互刮、軟礦物會被硬礦物劃傷的方式,以地球常見礦物列出硬度 1 到 10 的摩氏硬度表,硬度最低的礦物滑石為「1」,最高的鑽石硬度即為「10」。由於相對硬度僅顯示礦物的粗略硬度關係,工業應用便發展出更精準且能呈現倍數關係的絕對硬度,以最被廣泛應用的維氏硬度(Vickers Hardness)為代表,用加上指定重量的錐形鑽石針來壓,壓出痕跡的面積越小,礦物或材料就越硬,反之越軟。指定重量視測試樣品而定,通常在 1-50 kg 之間


台灣大學地質系教授黃武良指出,礦物硬度的關鍵,在晶體結構抵抗外界拉張力量的強度,如果原子與原子之間的鍵結力量越強,礦物就越硬。礦物化學鍵的強度,跟元素成份、鍵結方式、幾何排列形狀都有關係,例如石墨和鑽石都是純碳組成,不過石墨的碳原子以片狀鍵結,碳層之間僅仰賴分子間微弱的凡得瓦鍵(Van der Waals bond)相吸,很容易切斷,因此硬度不高;鑽石的碳原子則以正四面體鍵結,每個碳原子間以結合力較強的共價鍵鍵結,穩固的結構使它的四面八方都難以破壞。

 

穩居自然界最硬礦物榜首

 礦物鍵結的方式及結構,受生成環境壓力影響很大。在地底下的礦物,為了因應越深層的強大壓力,礦物體積會縮小,結構也會越緊密。鑽石礦脈通常在 50000 大氣壓形成,約是地表下 160 公里處的壓力;而石墨礦層在地底 1.5 公里內就能找到。

 然而,科學家真的找到比鑽石還硬的礦物嗎?纖鋅礦型氮化硼在自然界中幾乎找不到,只能以人工合成,「六方體鑽石」也只有在隕石中發現或人工合成。研究者利用電腦模擬,計算出這兩種礦物抵抗鑽石錐形針的重壓強度,而且得在以鑽石錐形針進行量測時所產生的高壓,使該物質晶體結構發生暫時性改變而增加硬度,最後得出「比鑽石還硬」的結論。但黃武良強調,礦物硬度結構是會隨壓力變化的,此暫時結構在常溫、常壓下能否穩定仍屬未知,在還沒找到或製造出這兩種礦物的大晶體、進行實際硬度量測前,鑽石仍是地球當之無愧的最硬礦物冠軍。

以鑽石切割鑽石

 了解礦物硬度有什麼用?黃武良說,掌握硬度是現代工業各種材料切割、研磨的應用基礎,例如要切割大型鋼材或石材,就需要硬度適合的切割機;要把矽晶圓磨得很平滑,也需要硬度適合的研磨機。又如進行各種科學或工業鑽探,若不了解地底下可能碰到的岩石硬度,選用了不適合的鑽頭,大把銀子可能就白花了。

 既然鑽石是地球上最硬的材料,那又要怎麼切割?「當然還是用鑽石切啊!」黃武良解釋,無堅不摧的鑽石在金屬切削加工方面是極佳的材料,對鑽石同類也不例外。工業上使用的「鑽石鋸片」,需先將細小如粉末的鑽石磨粒做成鑽石鋸齒,焊接在鋼鐵鋸片的邊緣上,就成為切割面積極細的「鑽石鋸片」。切割鑽石的鋸片外型很像圓形齒輪,靠著高速旋轉和足夠的時間,就能切開鑽石!不過此種做法只能把鑽石原石切割成粗略的鑽石毛胚,如果要做到寶石級的鑽石切割,得進一步以打磨專用的鑽石,把凹凸不平的鑽石毛胚逐漸磨平,過去多仰仗鑽石師傅的手工技術,現代則用電腦控制互磨的角度和時間,務求鑽石每一面的打磨都能達到足夠的精確。

台灣最硬的礦物

 鑽石礦脈的形成需要豐富的碳和稀少的氧,處於高溫高壓環境,這樣才不會氧化成二氧化碳或碳酸鹽,因此鑽石主要產地都在古老穩定的大陸內部。位於海陸板塊交界處的台灣是世界上地質變動最劇烈的新生區域之一,與生產自然鑽石當然無緣。那台灣最硬的礦物又是什麼呢?

台大地質系教授黃武良指出,過去地質學家曾在竹東地區的玄武岩脈發現在礦物硬度表排名僅次於鑽石的剛玉(紅寶石和藍寶石的主要成份,摩氏硬度為9),但非常稀少,必須用高倍率顯微鏡才能看得見。肉眼可見且分佈普遍的台灣最硬礦物寶座,就屬硬度最高可到7.5的「石榴子石」(garnet)。

 石榴子石的主要成份是鈣鎂鐵矽酸鹽,常以良好晶型、多顆粒聚集一起,它的拉丁文"granatum"是「許多種子」之意,其外型及暗紅的顏色和石榴種子很相似。台灣的石榴子石主要以大斑晶出現,所謂「斑晶」是岩石形成過程中,在緩慢的冷卻環境下,結出顆粒較大、晶形較完整的結晶,比較大的斑晶就被稱為大斑晶。石榴子石產於片麻岩、角閃石片岩、雲母片岩等變質岩內,在宜蘭、花蓮和台東都能發現,甚至在花蓮瑞穗瑞北溪橋下就可以撿到。

 台灣最硬礦物的亞軍,是地球最常見的造岩礦物「石英」,硬度為7。俗稱台灣藍寶的寶石礦物「藍玉髓」,是由很細的石英聚集在一起,但因含有微粒矽孔雀石而呈現美麗的藍色,成為台灣特產的高價珠寶。

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