互动科普

谈到石英晶体，大家也许不太熟悉，但说到它的俗称，就会恍然大悟：“哦，原来是水晶啊。”在古代中国，人们曾经叫它“水精”。因为它就像冰一样纯净，遇热却不会轻易熔化，人们以为是埋藏在地下的冰修炼成“精”了，甚至有传说声称含着水晶就能解渴。后来，水晶是清雍正帝赏赐臣下的眼镜，是凡尔赛宫里的吊灯，是拿破仑送给约瑟芬的首饰，甚至是灰姑娘遗失的舞鞋。总之，它是圣洁、美好的代表，象征着纯洁的心灵、美好的愿望以及神秘的力量。

随着科学的进步，人们逐步认识到水晶的本质、来源和各种性能。水晶其实就是二氧化硅（SiO2）的结晶形态。SiO2在通常状况下是稳定的化合物，不分解、不潮解、硬度高、不变形。但是在高温高压下，它就能够溶解于水和碱性溶液。溶液慢慢降温，其中的SiO2逐渐沉积成一定形状的固体。它们虽然大小不一，但形状相同或相近，外观晶莹透明，这就是水晶，在学术上称作石英晶体（Quartz Crystal）。它不仅保持了SiO2原有性质，还带有特殊的功能性质，比如，其中的压电性就得到了极大的关注和发展。

与生俱来的压电性

石英晶体的内部结构决定了它带有压电性。分子SiO2中的“Si”和“O”以半共价键和半离子键结合，结晶时每个硅原子周围有4个氧原子配位，形成硅氧四面体，看起来就像三棱锥，氧原子充当三棱锥的顶点，而硅原子藏在三棱锥中央。大量硅氧四面体按照一定的规律，紧密地堆积形成晶体。

通常状况下由于对称分布，Si4+离子组成的正电荷重心与由O2-组成的负电荷重心重合，所以晶体表面显示不出电荷；但是，当晶体受到外力作用时，形状发生变化，硅氧四面体的正、负电荷重心发生偏移，无法再相互牵制，在晶体的相应表面就会出现电荷，这就是压电效应。

如果通过电极对石英晶体施加电场，同样的原理也会造成晶体变形，而且形变能随着电场的改变产生规律性的变化。对工程师来说，这种逆压电的性质可比制造奢侈的水晶花瓶重要多了：只要加以一定的电场，就能通过石英晶体把电能转化为机械能，制造出人们需要的固定的振动频率，这就是把石英晶体制作成各种频率元件的理论基础。

1880年，皮埃尔·居里和雅克·居里发现石英晶体压电效应的时候，可没有想到它今天的风光。石英晶体当时不过是众多的实验对象之一，与黄玉（topaz）、碧玺（tourmaline），甚至蔗糖一起归为压电实验成功的类型。但对材料的探索和市场的需求，最终促成了压电性能的开发与利用。拜第一次世界大战所赐，被冷落了几十年后，压电石英终于崭露头角。

一战期间，德国潜艇屡屡偷袭成功，令“海上霸主”英国海军名誉扫地，逼得同盟国焦头烂额。这时，法国著名科学家郎之万想到利用声纳来探测水下的潜艇，就采用了石英晶体为声纳提供固定的频率，只是还没有等声纳大显身手，一战就结束了。到第二次世界大战时，石英晶体已经成了必不可少的元素。因为频率元件是通信的关键部件，迫于军事通信的需要，欧、美、日等国纷纷开展研究，先后制成了振荡器、谐振器、滤波器等电子元件。

多亏了人造石英晶体

人造石英晶体的想法也诞生在二战期间。当时各国使用的石英大多产自巴西，可是盟军封锁了德国的海上通道，造成原料短缺，德国科学家不得不试着人工合成石英晶体。到1956年，美国人终于用水热法（hydrothermal process）培育出商业用的人造石英晶体，并在4年后建立了世界上第一座人造石英晶体工厂。日本人后来居上，产量长期位居世界第一。中国也在20世纪60年代初培育出第一批有实用价值的人造石英晶体，70年代逐步形成了批量生产能力，在工业上全面取代天然石英，现在不仅能够满足国内需要，还有部分出口，产量仅次于日本。

人工制造石英晶体，或者应该说人工培育石英晶体的原理并不复杂。自然是经验丰富的工匠，人们首先得向它学习。自然界两种元素最多，氧占了地壳重量的49.13%，硅占了26%，所以制造石英晶体的原材料非常丰富。地球上大量水源的水质都是碱性或盐性的，因为酸性水溶液容易发生化学反应，很难长期存在。当地壳发生变动、尤其是板块移动时，碱性水很容易被包裹在地壳物质之间。高温高压使硅和氧的化合物不断溶解在碱性溶液中，比在中性水中溶解得更快、溶解度更大。当温度降低，压力得到释放，溶液中的硅和氧就会以SiO2结晶的形式析出，形成天然的水晶。

人们只须制造专门的设备——高压反应釜来模拟天然石英晶体形成的地质条件，利用天然石英矿石作原料，通过再结晶生长，就能得到纯净的石英晶体。

高压釜用高温韧性好的合金钢制成，看起来就像一个瘦瘦高高的水桶。在釜内下部放上石英矿石，上部吊挂石英籽晶片，中间放置一块带孔的隔板。向釜内充填一定浓度和数量的碱性溶液，加盖密封，然后将它置于分段控制的电阻炉内，迅速升温，当下部温度达到380℃、上部温度达到330℃、压强达到1,400个大气压左右时，进入恒温阶段。下部高温区的矿石迅速溶解、很快达到饱和，而温度差使釜内上、下部位溶液比重出现差异，引起了对流。饱和溶液随对流上升，到达上部低温区时热量流失，温度下降。由于SiO2在碱性溶液体系中的溶解度是正温度系数，也就是说温度越高，单位溶液能够溶解的SiO2就越多，反之，温度降低，原本已经饱和的溶液就超过了容量极限，只能抛弃一部分SiO2。这些从低温区带来的多余的溶质逐渐沉淀在籽晶上，上部的晶体就会一天天长大，下部的矿石则一天天减少。根据石英晶体生长原理和长期积累的经验，预计晶体达到一定尺寸就可以降温开釜，取出晶体。这样，一个周期的人工合成石英晶体的基本过程就结束了。

现在，世界上每年生产和使用的人工合成石英晶体在7,000吨到8,000吨左右，多亏了这些人造晶体，今天人人都能用上物美价廉的石英钟表。

总有一天

所有手表都会走这条路

上世纪80年代，日本精工集团的这句广告词喊响了他们对石英表的信心。在此之前，手表是一件能够当作传家宝留给后人的贵重财产。朋友见面也许会问起“它有多少钻”，你可以抬起手腕自豪地告诉他，这小小的表芯里藏着多少宝石（虽然大多是人造晶体）。由于表芯中采用了大量齿轮和弹簧制造出的传动系统，所以机械表每天都需要调校时间，走时是否精确仰赖专业机械师的经验和手艺。

20世纪20年代，沃尔特·卡迪（Walter Cady）发明了石英谐振器，人们才发现石英非常“守时”。只要提供一个固定的电场，就能指挥石英晶振按照人们想要的频率振动。按照这种思路，贝尔实验室的沃伦·马里森(Warren Marrison)发明了世界第一座石英钟。从1927年这座需要卡车运送的石英钟到人人手腕上的石英表，石英钟表走过了半个世纪的历程。

1962年，钟表王国瑞士的计时中心率先制造出一块石英表表芯，同年，日本精工也完成了类似的工作。不过，瑞士似乎过分满足于他们名贵而优雅的齿轮艺术，对石英表的开发有点漫不经心，但日本精工没有丝毫放松。两年之后，精工集团成功地从垄断17届奥运会的瑞士欧米茄手中，抢到了在东京奥运会为比赛计时的任务。1968年，精工发起最后冲刺，凭借石英表在纽沙贴夫天文台的钟表比赛中胜出。在机械表称王的时代，这种传统比赛原本是机械师之间的比拼，这次却让不需要机械师的石英表载誉而归，令瑞士人异常尴尬。胜利给予精工极大的信心，翌年就赶在瑞士之前，推出了世界上第一块商业化的指针式石英表“Seiko Quartz Astron 35SQ”，在钟表史上树起里程碑,宣告石英表的时代已经到来。

从Astron 35SQ开始，石英表的表盖之下，除了指示时刻的部件之外，就很少用到其他机械零件，内部结构简单到令机械迷不屑一顾，但石英表每个月的走时误差不会超过15秒，而且价格便宜，从此人人都能拥有比较精确的时间。所以时至今日，不仅手表用上了石英，亿万人的“时间”基本都走上了这条路。

石英晶体元件已经形成了一个产业，比如，生产出第一块石英表的精工集团后来成立了精工爱普生的品牌，爱普生的主要业务中就有石英晶体元件，而且位居全世界石英晶体元件生产商的前5位。在石英制成的频率元件中，晶振是最常见的。它对整个通信业非常重要，手机里至少有一块晶振，一台电脑主机里还包含了好几种不同类型的晶振。凡是需要计时或固定频率的地方，都有石英频率元器件的身影：现在，小到手表、手机、计算机，大到地上跑的汽车火车、水里游的轮船军舰，天上飞的飞机、空间遨游的飞船和卫星，都离不开石英频率元件。