蓝晶石--纵横二重硬度之石

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1、蓝晶石--纵横二重硬度之石溯鹰发表于2012-04-23“坚硬”，估计是人们对山间磐石所产生的第一印象了。不过，就像所有科学家都对量化有着特殊的执着一样，地质学家同样不甘让自己的研究对象停滞在感性的描述上。于是，德国人腓特烈.摩尔以十种晶体为标准建立的，用以量化“坚硬”尺度的摩氏硬度计，便于1812年应运而生（见图1）。在这个尺度下，通过试验被测材质能否被十种标度晶体刻下划痕，就可以推量出这种材质的莫氏硬度值。硬度数值较高的材质能够刻画数值较低者，而反之则不可。如：硬度为7.0的石英（SiO2）便能够轻松地刻得动硬度为6.0的正长石（KAlSi3O8），如果有一种材质能够刻得

2、动正长石而不能刻画石英，那么它的硬度便介于6.0与7.0之间。 图1摩氏硬度计。在摩氏尺度中，硬度低的矿物可以被硬度高的矿物刻画，反之则不行。说来有意思，人们在很多领域试图建立确定性时，仿佛总得有那么一些不老实的家伙专门负责投几朵“不愉快”的乌云。而且这些个乌云中，还经常会出些那种让人不敢忽略的主，否则说不定哪天就把你的大厦给连根端了。今天我们介绍的主角——蓝晶石，便是其中一位：它的摩氏硬度竟然是4.5和6.5！换句话说，用一把普通的小钢刀（硬度约在5.5）刻划同一块蓝晶石，你可能遭遇刻得动和刻不动两种结果！这就怪了。蓝晶石的化学式是Al2SiO5，明明是有着严格明确化学成分

3、的纯净物，怎么会同时拥有两种硬度呢？深谙科学实验的你可能会说：“何必大惊小怪”。——从实际来看，一种矿物的硬度，多少要受混入杂质的多少、被蚀变程度的大小、以及温度和压力等外界条件的控制。在各种因素的影响下，矿物的实际硬度应该落在一个误差区间里而不是一个确定的数值上，因此出现硬度波动的情况，又有什么不正常呢？为了明确这种诡异的结果是否真的源自外界条件的干扰，咱们不妨把物理学上那种理想条件给搬过来。我们严格控制压力与温度变量，并使用高纯度的新鲜蓝晶石作为被测对象，尽可能去除一切可能造成影响的干扰项——然后——再测定它的硬度。这次的结果，总会出现一个确定的数值了吧？但不好意思，即便

4、在这样的条件下重复无数次，蓝晶石的双重硬度永远不会消失。4.5和6.5——两个数值如同附身于晶体一般，依然游离在晶体那湛蓝色的美丽表面。换句话说，同时具有两种硬度，是这种晶石自身内蕴的性质，而并非来自于外界条件的杂扰！想一想身边常见的晶体——石英、刚玉、方解石…几乎所有常见的晶体，都不会让自己平白无故地呈现两种截然不同的硬度啊。 图2 蓝晶石，矿物符号Ky，化学式Al2SiO5，三斜晶系，主要发育于变质岩中，属中压变质相特征变质矿物。其实，这种乍一看略为奇妙的状态叠加，与它的晶轴取向严格有关。换句话说，在我们进行刻画实验前，必须事先约定好刻画所沿的方向——原来，蓝晶石的两重不

5、同的硬度分别表现在不同的方向上：沿着晶体的长轴方向呢，其硬度表现为4.5；而平行于短轴方向，其硬度则表现为6.5。如此一来，究竟小刀能不能刻动蓝晶石，其实决定权不在晶体而在你，在于你沿哪个方向去刻划它了。由蓝晶石所表现出来的这种独特的现象的背后，本质上却是大自然的晶体们普遍具有的一种重要性质——各向异性。简单来说，晶体的各向异性（crystalanisotropy）是指晶体的物理性质随观察方向不同而不同的特征。它与[自限性]、[均一性]、[对称性]与[最小内能稳定性]一起，共同称为晶体的五大基本性质。蓝晶石，便是在[硬度]这一物理性质上将各向异性演绎得最为出彩的代表，因此，这

6、种溢着湛蓝色光的板状晶体，又有着另外一种广为人知的名称——二硬石。晶体被定义为内部质点在三维空间呈现周期性排列的物体。换句话说，判定一种物质为晶体，便是看其内部是否有某种单元可以供你一直“Ctrl+V”下去而且还完全没有缝隙。为了表示晶体内部这种可以像砖块一样重复堆砌的基本单元，人们引入了空间格子的概念。空间格子是把晶体抽象成具体的骨架，而无视晶体具体化学结构的一种几何模型。可以想象，这种格架自然是由一个个“点”被一条条棱联系起来而构成的。而这一个个点便被称为“结点”。于是，将目光缩到最小，不难发现，晶体内部最小可重复单元，必然是某个结点沿由它发射出去的棱走，汇合所有相邻方向

7、上最近的结点而构成的平行六面体。从这种抽象的几何结构还原为实际的晶体化学结构，这样的一个基本单元便被称为晶胞。空间格子是平行六面体单元的复制与堆叠，而实际晶体则是晶胞的复制与堆叠。图3 以空间格子的边棱和夹角为变量，能够将所有的晶体归纳为七大晶系。由左上开始依次是：等轴晶系、四方晶系、斜方晶系、三方晶系、单斜晶系、三斜晶系和六方晶系。正是三维方向上晶体结构空间对称性的破缺，使得晶体各向异性的存在有了几何学的基础。由于平行六面体中一个结点与其延伸方向上相邻结点间的距离可能不相等，如果扩展开来的话，由其堆叠