炉匠：闲聊钻石科普

闲聊钻石科普 2014-07-20

         西方世界的丈母娘一般都会被一句广告词骗：“一颗钻石，流传久远”（A diamond lasts forever）。就是说哪个穷小子要想娶咱宝贝女儿，就必须要出点血，花大价钱从商人那买个钻戒来。钻石当然是越大就越贵，所以才有汤唯的经典台词：“啊，鸽子蛋！……    快走！”（要用香港鸟语说才有劲）。然而这种第比尔斯的商业骗局只适于资本主义社会，遇到有中国特色的社会主义就不灵了：咱们天朝的丈母娘一般会直接用京腔说：“没房没车，根本别想”。

奥，我说的是笑话，只是少数有资产阶级思想的丈母娘才这么想。真正好的丈母娘还是能认同小伙子的潜在才能的，虽然现在嫁的是穷小子，今后必有大富大贵的日子。正如俄罗斯俗话说的“要想做将军的太太，先要嫁给列兵”。

所有专家都说丈母娘是推动GDP的真正动力，那么什么是能取悦丈母娘的才能呢？ 我原来以为知识就是力量,学科学的人是最有潜力的。可是现在的世界已经无情地打破了我这种老古董思想――有博士学位的人往往比大学毕业就工作的人收入低很多，尤其到了做博士后的鸡肋时代。 所以我从今年起在面试新博士生申请者的时候都会问一个婚礼才牧师说的问题：“你能够，能够一辈子受穷受累，贫病交加，失业要饭，也对科学不离不弃吗？”一般的小伙子都会说：谢谢您告我这个秘密，特别是当别的教授都像二手车销售商那样拼命拉人的时候，您的真话格外振聋发聩。

好了，既然博士无用论已经是大家的共识。那么什么是丈母娘最欣赏的呢？是技术！您先别笑话我，听俺慢慢说。

那天我闲的蛋疼，就看了一会台湾的东森新闻。宝岛意识嘛，一定是充满危机感的，特别怕别人抢走市场和生意。节目开始时几个主持人一唱一和，先用二十几分钟贬低三星手机，说它虽然今年卖的破了纪录，可是马上就要完蛋了。因为它前有强敌（苹果等高价品牌）后有追兵（大陆上的华为，小米等廉价智能手机）。两面夹攻日子不好过啊。然后口气一转，说台湾为什么能永远利于不败之地呢？是因为台湾有技术。现在的智能手机转眼就会出8兆像素的照相头。那么高分辨率，加工过程稍微有点偏差就能影响照片质量。现在只有台湾才有这个技术。所以苹果把这份活交给了台湾一家。

台湾为什么会有技术？因为台湾重视技术教育。台湾现在最难进就是高等工科学院。学生在那里军事化教育，每日清晨即起，每天在车间里工作十个小时。从锯木板，锉铁块开始。学会精密加工，学会七轴数控机床，学会纳米芯片的核心技术。在美国自废武功，丧失了制造业龙头老大的地位的时代，在中国以开发房地产为国策，安于出卖廉价劳动，不投资技术的时代，台湾却独具慧眼做长线投资，目标是占领今后世界制造技术的龙头老大…. 云云，云云。

这电视节目虽然不代表我的观点，可是绝对值得【非诚勿扰】等节目参考的。实际上从台湾来的小伙就是留灯的多，从侧面反应了神州丈母娘的眼力。

这里我就借宝岛技术至上论的东风讲点技术科普故事。先说说那钻石“鸽子蛋”。天下宝石千万种，为什么钻石独受各国丈母娘的青睐？主要一个原因，就是钻石看上去有“火”有“星” （fire and brilliant）。就是当手上的钻戒一晃的时候，旁边的人可以看见一团团七彩流光。在天下各种宝石中，钻石的火和星最明显。钻石为什么会有火和星呢？因为钻石晶体的折光率高，当白光射入后不同的波长会以不同的角度折射出来，在钻石动的时候不同波长的光就会扫入旁边人的眼睛，使人看到七彩毫光。虽然玻璃和其他宝石都能折光，却都不如钻石那样灿烂。这是为啥呢？ 这里有两个技术秘密，宝石工业多少年来靠这个来赚钱的。第一个秘密是钻石折射率高，这样在同样的角度下扫过人眼的光颜色变化大，火就更明显。第二个秘密是光有折射不行，折射后的光必须反射出来才能到达旁观者的眼睛。小小钻石怎样出现全反射呢？这就必须要把钻石磨成特殊的形状，使光进入晶体后折射成一个角度，当光到达钻石另一面时达到很锐的角度，使光“全反射”回来。要形成这种全反射的形状是很有讲究的，如所谓“五十八翻”（也称“美国完美钻形），就是把钻石磨出五十八个表面。因为每磨一个面都要把钻石翻转个角度，所以又叫“五十八翻”。

五十八翻磨出的钻石上部有三十三个面，下部有二十五个面，钻石上半称为冠，冠的顶面也叫门脸，门脸周围有八个小三角形切面，称为星面或三角翻，星面下面有八个四边形切面，称为风筝面（面八翻），上腰部有十六个三角形切面，称为上腰面（边小翻），下腰部（亭）部，有八个四边形的切面或称亭面（底八翻），所有面相加共五十八个面。按此方法切出的钻石能达到最佳的光彩斑烂的效果，即它可以最大限度地将进入钻石内部的光线在钻石内部一次次地反复折射，反射而不透溢出来，最后从冠部的顶面射出来，使进入钻石内部的光线一束变成几十束甚至几百束在内部射来射去，因而就使钻石显出光亮耀眼、色彩斑烂的火。

五十八翻切法是一九一九年由马可 托尔柯斯基（Marcel Tolkowsky，1899～1991）根据钻石的折射率和全反射原理设计的。马可出身波兰家庭钻石之家，可人家也是伦敦大学的博士。他在做学位的时候系统地研究了钻石切割形状的理论，所以才有这样尽善尽美的设计（图一）。

  图一 五十八翻的钻石，由托尔托尔柯斯基的侄孙伽比尔 托尔柯斯基制造的3.17克拉的钻面。

 钻石能够永久流传的一个重要原因是因为它是世上最硬的物质。这样光亮的表面就不会被划出道道来。我们知道手表眼镜用用表面都会出现划痕。能把玻璃表面磨出划痕的东西主要是沙子。沙子是石英晶体，硬度是6。钻石的硬度是10，沙子当然磨不动。所以钻石即使经过百年，忆旧棱角分明，门脸不见丝毫磨损。

根据比石英硬就磨不坏的原理，现在的豪华手表也普遍应用“蓝宝石”作为表面。所谓蓝宝石表面就是氧化铝的晶体，硬度为9 。沙子当然磨不坏。

现在问题来了：既然钻石是世上最硬的物质，那么用什么材料能切割钻石原石，并能仔细地把钻石磨成58面呢？这个问题一直是珠宝界“以子之茅，陷子之盾”的迷。理论上一直没解决。可到了2010年，德国一个小组在自然杂志上发表了一篇文章。似乎解决了这个问题 (图2)。

图二 钻石切割钻石的原理：原来是钻石晶体表面有一层比较软的玻璃态。 图中整齐排列的六角形是钻石晶体，彩色乱七八糟的球球是玻璃态。（参考文献： Pastewka et al, Nature Mater., 2010, DOI: 10.1038/nmat2902。   又是表面物理，天下所有丈母娘都烦透了的科学。

            在珠宝工业实践中，从来都是用切割钻石的废料粉末来打磨钻石（图三）。从图中可见那工匠一手拿着放大镜，另一手握着一个简单的手柄，上面粘着待加工钻石。手柄上有几个圆轮，用来调整打磨角度。下面是个高速旋转的钢轮，钢的表面镶嵌着无数钻石粉末。可以看到工匠的手下感觉和眼神对成品的质量有直接关系，角度偏差了就会把光漏出去，使钻石看起来发暗，火不够亮。这种人工磨钻的家庭作坊在以前在欧洲很多的，很多临街而立，顾客可以随便看工匠的工作。我是经常对这种大师长时间出神的。家庭作坊各有各家传的机密，都是只传儿子的。大概就是怕儿子将来的丈母娘挑剔。但是即使有祖传的秘笈，也需要多年的训练经验，才能做出大师级的钻面。当然到了现在，台湾造的（甚至大陆造的）全自动磨钻机已经统治了市场，造出所有大师都不及的精确角度和形状，所以制造钻石的大师级技术就像以前造表技术一样，开始失传了。机密失去了经济效益，也就没那么机密了。所以大师们也有时会得意忘形，跟素不相识的看客吹吹牛。

图三 手工加工钻石的设备。仔细看钢轮上面有很多圈圈。每圈作用是不同的。一般里圈比较粗，线速度慢，用于开始一个磨面，越往外越细，速度越高，用于最终抛光过程。

我这些都是落伍的老故事了，别抱怨丈母娘了，洗洗睡吧。洗洗睡吧。