水晶、石化木皆可人造！且性能不输天然。谈一谈水热反应

#周末开大课#不管国家地区，也不管种族肤色，自古以来人们都把水晶、木化石视为珍宝。殊不知水晶、木化石的主要成分乃是二氧化硅。而在地球之上，最不缺少的矿物质就当数二氧化硅。因为在地壳的矿物质之中，硅元素含量最多，约占全部元素总含量的28.15%，主要化学成分为二氧化硅的砂子，虽然纯度各有差异，但几乎到处可见。那么为什么大部分的二氧化硅没有变成水晶和石化木呢？或者说，人们有没有可能用砂子自己制作水晶和石化木呢？

石英砂

我可以非常负责任地告诉你，水晶、石化木不仅可以人造，如果做得好，人造水晶性能不仅不输天然水晶，还可以随心所欲地调整性能。之所以敢于这么说，是因为我自己就曾经用纯净的砂子(高纯度石英砂)制造过水晶，也曾经在国外实验室中目睹过人造石化木的制作过程。下面我们来看一看，它们是如何人造出来的。

水晶

天然石化木

首先介绍人造水晶的制作。水晶的实质是单晶状态的二氧化硅，因此制作水晶的原材料就是高纯度的石英砂。截止目前为止，任何物质要形成单晶状态，都是通过外延的方法实现的。外延方法有不同的形式，随着临形成单晶前原材料所处状态的不同，外延法可分为气相外延法、熔液外延法、溶液外延法三种不同方式。由于气化二氧化硅和熔融二氧化硅需要的温度太高，所以采用溶液外延法应当更容易实现一些。而且网友们出去旅游时，在一些溶洞里往往可以看到水晶簇。既然在远古时期的溶洞里，可以靠自然条件生成水晶，那么人类如果模拟地壳中的自然条件，也理应能够生成水晶。但是麻烦问题出现了，众所周知二氧化硅是不溶于水的物质，怎么有可能采用溶液外延法呢？

溶洞里的天然水晶簇

其实，人们常识中的二氧化硅不溶于水，是指常温常压下的二氧化硅不溶于水；高温高压下二氧化硅溶不溶于水，就另当别论了。将水和二氧化硅封入如下图所示的高压反应釜，用极少量的氢氧化钠作为催化剂，将其加热到360℃左右，靠釜中液体气体受热膨胀产生的压力(高压)，二氧化硅会慢慢溶入水中。因为釜从下部加热，所以釜内整个上下会产生10℃左右的温差。这个温差造成了二氧化硅在釜内上下部的溶解度差异，于是我们就可以在其溶解度饱和平衡状态下，让釜底部的二氧化硅不停地慢慢溶入，到达釜的上部后又慢慢析出，这时候我们预先植入釜内上部的水晶仔晶就会慢慢地外延长大。一般来讲，人造水晶的质量取决于釜的大小与釜内上下温差的稳定控制，釜的体积越大，溶液对流越充分；釜内上下温度稳定性越好，外延析出就越均匀，制作出的水晶质量越高。作为国家派遣高级交流学者访问日本期间，我曾经在东光公司见到过世界上最大的人造水晶高压反应釜，足有三层楼高。纯净的水晶是白色(无色)透明的，用于制作石英压电材料、石英振子，使用的就是这种水晶(石英是水晶的另一个名字)。天然水晶往往会由于含有铁、锰等微量杂质，而呈现出淡紫、紫红、深红、大红、深紫、紫蓝、淡黄、黑等颜色，这些在人造水晶中也可以做到。

可用于人造水晶的高压反应釜

知道了人造水晶的过程，对人造石化木就不难理解了，因为它更为简单一些，不需要让二氧化硅以单晶状态析出。只需要将干燥清洁的木头放入与上述人造水晶相同的高压反应釜中，木头中的树脂成分溶入水中，二氧化硅来一个鸠占鹊巢就行了。有人也许会感到奇怪，既然人造木化石比人造水晶还要简单容易，为什么市面上只有人造水晶，而没有人造石化木呢？那是因为很小的一块人造水晶即使价格不菲也能卖得出去，与其成本相比还是很合算的；而人造石化木就不同了，体积小了没有使用价值，花那么高的成本却卖不出去，谁也不愿意干这亏本的买卖。

其实，水热反应不仅可以用来制作人造水晶、人造石化木，还可以用来制作一些常温常压下不容易反应产生的物质。下图就是小型的水热反应釜，其中白色的罐罐，是为了防止水热反应时钢铁外壁受到腐蚀而至于钢铁釜内部的聚四氟乙烯内衬。其使用时，是将水、反应物装好，盖紧(拧紧)以后，放入烘箱，一般加热到190℃(或者根据需要再高一些的温度)，保温24小时就可以了。