朋友们经常问笔者一个有意思的问题：“玉和宝石有什么区别？”

笔者常常用极为通俗的语言回答他们，玉是美丽的石头，宝石就是美丽的矿物了。矿物是构成石头的成分，也就是说石头是矿物的集合体。

我们一刻也离不开它们，小学老师就已经告诉了我们。

尽管人类在很早就发现了矿物并加以利用，但这毕竟还是少数，几乎是沧海一粟。

据杨凤英在《如今矿物知多少》中介绍，截至1998年底，全世界已发现且命名的矿物就有3 800多种，还不包括那些亚种呢，但在18世纪以前不超过300种。

工业革命之后，不断发现了新的矿物，由此还诞生了“矿物学”。1880—1899年发现的矿物87种，1900—1919年为185种，1920—1939年为256种，1940—1959年为347种。20世纪80年代平均每年发现新矿物约40～50种。

对于矿物资源的利用，除了主要利用其成分外，另一方面就是利用其各种物理特性。

冶炼是利用矿物的化学成分的主要技术手段。利用最早也是最重要的是从磁铁矿、赤铁矿中提取铁，从方铅矿中提取铅，从闪锌矿中提取锌，从黄铜矿、斑铜矿中提取铜，从锡石中提取锡等。我国产量最高的矿物为黑钨矿，从中提取的钨金属占世界第一位；我国湖南省是世界著名的辉锑矿产地，可从中提取大量的锑；内蒙古白云鄂博的稀土矿床中用于提取铈族稀土元素的氟碳铈矿在世界上也属最丰富。国防工业中所需的金属如铌、钽都是从铌铁矿、钽铁矿中提取的。

矿物中除了主要元素外还会混入一些微量元素，如闪锌矿中常有镉、铟、锗混入，这些元素称为分散元素，而这些金属在电子工业上有重要的用途。我们也在提取主要元素时提取这些分散元素炼成金属。

还有一种利用矿物化学成分的方法就是化学工艺，包括直接制取和合成。从矿物萤石中可提取制成氢氟酸，从黄铁矿中可提取制成硫酸等。可以利用钾盐矿合成钾肥，利用磷灰石合成磷肥，利用方解石合成水泥，等等。

利用矿物的物理特性也是矿物利用中非常重要的方面，我国古代深谙此道。从《神农本草经》到《本草纲目》，历代本草著作中都收集了矿物药。其中明代李时珍的《本草纲目》集历代本草著作之大成，书中列有矿物药266种之多。

此外，利用矿物物理性质的还有如金刚石、刚玉、黄玉、石英等，由于这些矿物的硬度大于莫氏7度，因而可以用作研磨及切割材料。熔点高的矿物如莫来石等可做耐火材料的原料。沸石、凹凸棒石、蒙脱石、坡楼石、海泡石等许多有吸附性和阳离子等交换作用的矿物可以清除废水中的有毒元素和重金属元素，是一种过滤材料，可吸附气体、液体中的杂质，如制造啤酒时可用于除去杂质，是用于处理水污染的重要原料。

对于石头的利用，可以追溯到远古时期的石器时代，玉依旧是我们的钟爱之物，利用黏土制作的精美陶器依旧是我们生活的必需。

利用矿物的光学性质和电性是20世纪电气化时代的必然，同时也为电子时代开辟了矿物的新用途。

最早是在光学仪器上利用方解石、石英、萤石作为棱镜，随后又发现许多矿物具有光学特性。1960年发现宝石级的刚玉可作为激光发射材料，是产生激光的关键材料。硫镉矿单晶具有特殊的光弹性，可以用在雷达上。彩钼铅矿具有声光效应，在声波的作用下可以产生光的衍射。白钨矿、全绿宝石有光色作用。白钨矿在日光下呈白色，在紫外线下呈紫色；全绿宝石在日光下呈绿色，在灯光下呈红色，可用于激光全息记录和存储。闪锌矿的单晶体还可用于紫外半导体激光材料。

矿物电子性质的利用，最常见的是用铜作为电线中的导电材料。金刚石Ⅱ型是重要的半导体仪器材料。方铅矿可作为近红外线的主要光电变换材料，用于卫星探测、军事侦察、医用热图像仪等领域。石英具有压电性，多用于雷达、通信、微处理机等方面。云母、滑石则可作为绝缘材料。

图3-4　辰砂（左上的深色的柱状矿物）、方铅矿（右上呈立方体结构的矿物）、 重晶石（左下的矿物）和黑钨矿（右下呈柱状结构的矿物）（图片引自中国地质博物馆）

进入本世纪后，科学家们发现了石墨和辉钼矿具有神奇的电子性质，可以作为半导体材料。2004年发现石墨烯材料的是来自英国曼彻斯特大学的两位教授安德烈海姆和诺沃肖洛夫，瑞典皇家科学院把2010年诺贝尔物理学奖授给了他们。瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的纳米电子与结构实验室在2011年1月31日英国《自然·纳米技术》刊登了最新研究成果：单层的辉钼材料显示出良好的半导体特性，有些性能还超过了现在被广泛使用的硅和研究热门的石墨烯。

一旦这个材料获得突破，有可能在将来会取代硅晶和薄膜太阳能电池的染料敏化纳米晶太阳能电池。这种融合了纳米技术和新材料工艺的全新光伏电池的成本仅为硅晶电池的1/10，被认为将对成本下降已趋极限的传统光伏电池构成巨大的挑战。

实际上，科学家们对石墨烯和辉钼烯潜力的挖掘可谓不遗余力，其进展也似乎超乎寻常的顺利。

2008年3月28日，美国马里兰大学宣称，碳晶体管将会成为最快的晶体管，可以超越包括锑化铟在内的所有芯片材料。

2008年12月25日，IBM宣布研发出号称全世界速度最快的石墨烯场效晶体管，可在26G赫兹频率下运作。

2009年3月27日，美国麻省理工学院的科研人员展示了一款由单一石墨烯晶体管打造的倍频器，通过采用石墨烯晶体管可以利用相对简单的架构来实现复杂的新型电路。

2010年2月4日，美国宾州大学研究人员声称，他们已成功制造出可生产纯碳半导体组件的100纳米石墨烯晶圆。

2010年5月10日，美国斯坦福大学研究人员表示，较之目前普遍用于有机LED显示器透明电极的稀有且昂贵的ITO，石墨烯可以提供成本更低、更薄、速度更快的替代方案，从而规避ITO短缺的问题，并为柔性显示器的开发铺平道路。

2010年7月20日，美国普林斯顿大学的研究人员指出，若采用石墨烯电极，锂电池的充电时间将能从2小时缩短到10分钟。

2011年12月6日，据美国物理学家组织网报道，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家宣称，他们制成了首个辉钼芯片原型。该芯片在实验中表现良好，证实了其在半导体芯片制造领域内的突出性能，这也意味着商用辉钼芯片距离现实又近了一步。

看来石墨烯材料离商业化生产已是咫尺之遥，令人羡慕。但令人担心的是，石墨也好、辉钼矿也好都是自然矿物，在形成过程中会有一些天生的缺陷，比如位错、类质同象杂质和同质类象杂质，自然矿物的除杂纯化是否适用于规模化生产呢？笔者甚感诧异。

金属材料的新用途是矿物新用途的延伸。

我国古代利用的金属有7种，分别是铜、铁、铅、锌、锡、汞和银，由其组合的合金材料成百上千种，它们构成了人类文明进步的基石和里程碑。所以说，人类发展的历史也就是材料发展的历史，连续不断地开发和利用新材料也就构筑了今天的文明。(www.daowen.com)

在漫长的历史长河中，人类经历了石器时代、青铜器时代和铁器时代，这些时代都是以当时标志性的材料来命名的。在石器、青铜、钢铁（工业革命）、硅（信息时代）等材料研究上的重大突破无疑是“人类进步的里程碑”。

何谓“金属材料”？就是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称，包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。金属材料通常又分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义上的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。

半导体材料和超导材料也被归入金属材料范畴。

研究发现，有些金属具有非常奇异和特别的功能，正因如此，我们人类才会创造出丰富多彩的工业文明。这些金属主要集中在有色金属品种中。

奇妙的硅金属除了有半导体功能外，还具有光伏效应的功能，即太阳光射到硅材料上会产生电流而直接发电，其光电转化率可达20%以上。目前，对硅材料的应用开发形成了一条绿色的产业链，称之为光伏产业。这种技术不需要水，不需要燃烧其他物质，只要太阳能照到的地方就能发电。这也应该是未来具有颠覆性的技术革命。

21世纪还有一项技术，它颠覆了传统的照明方式，这就是前面介绍的LED照明技术。

如今，LED灯不再是一种舞台奢华，已经走进了普通百姓家。虽然它的制造工艺非常复杂，但由于它与其他照明技术相比省电（与白炽灯比可节省80%～90%的电能）、寿命长（可超过10万小时）、耐用、环保和用途广而将成为未来主要的照明技术。

笔者担心的是铟、镓金属的资源极其稀缺，其稀缺程度甚至远高于黄金，如果LED大规模民用，金属铟和镓的价格会超过黄金，那么，它的制造成本将会加大。

值得一提的是除了以上两种主要的新能源材料外，与新能源有关的新材料还有很多且非常关键。

用于笔记本电脑、手机、数码相机、MP4、游戏机等的高效锂电池，性能优良，现在也是电动汽车最常使用的能源方式。

以钕铁硼为代表的稀土永磁材料，不仅磁性能高，而且价格低廉，它的问世给磁体带来了革命性的变化。稀土永磁被广泛应用在各种规格的电机上。和传统电机相比，稀土永磁无铁芯电机具有高效节能、重量轻、体积小、控制调速性好、可靠性强等特点，可广泛应用于风力发电、电动汽车、工业电机、家用电机等领域，可以为电机“减肥”30%～40%。

在所有的金属材料中，结构材料是绝对的主体，其主要功能是承担如火车、汽车、飞机及其各种机械动力的负载。

结构材料的主体有钢铁、铝合金、镁合金和钛合金。位于老大位置的钢开始动摇，汽车用钢近年来已从一般钢铁发展成为使用高强合金钢、铝合金或特殊的高强镁基合金，高强钛合金等将有取代碳钢的趋势。用于军用飞机的铝合金及一般钢材则被先进的钛合金及高分子基复合材料所取代，进一步还需要发展碳纤维增强复合材料或铝基复合材料来取代它们。铝、镁、钛的合金部分取代钢是为了给笨重的机械和交通工具“减肥”，从而达到节能减排的目的。

此外，还有一些重要的稀有小金属，也有非常特殊的功能。

钨主要用于硬质合金、特种钢等产品，并被广泛用于国防工业、航空航天和信息产业，被称为“工业的牙齿”。

锗主要用于夜视仪、热成像仪、石油产品催化剂、太阳能电池等生产，并被广泛用于光纤通信领域。

金属锆主要用于核工业反应堆、航天航空工业和武器制造，其中全球90%的锆在中国加工。

钴是军用飞机和导弹的关键材料，制造一部喷气式发动机需要使用408千克钴，这是因为喷气发动机使用的超耐热合金中含有65%的钴。

写到这里，笔者还是觉得有必要对非金属矿物的利用做一些介绍，以示其完整性，尽管笔者对非金属矿物的研究并不是很专业。

在我们的生活中，非金属矿物的用量其实是相当巨大的。非金属材料包括陶瓷、水泥、玻璃这些建筑材料和能源材料、薄膜材料、粉体材料以及各种非金属纳米材料等。其中非常重要的首推陶瓷，其次是水泥，然后才是玻璃。有的非金属矿物也是极其神奇的，比如前面所讲的石墨。

对非金属材料的研究与突破是在20世纪90年代开始的，很多传统的非金属矿物产品出现了意想不到的新用途。陶瓷纤维就是一个很好的例子。

笔者记得在读研究生的时候，一位同学要报考西北工业大学张立同院士的博士研究生，有机会一起拜访了这位材料界大师。在那里笔者才知道有科学家在研究一种称为陶瓷纤维的东西，张院士介绍她的这项成果时显得非常自豪，要知道，陶瓷纤维是用在高端武器装备上的。

30多年后的今天，我国已经有了很多陶瓷纤维厂生产这种产品，虽不知道现在生产的这种产品与当年张院士研究的是否一样，但这是一个难以置信的产品，脆脆的陶瓷竟然可以做成纤维，太不可思议了。

实际上，有关陶瓷的新技术、新产品还有很多。陶瓷构件就是一个比较大的门类，Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷材料是制作陶瓷构件的材料，它们在在国防、冶金等领域有许多特殊的用途。如用它们制造用于钢铁冶金工业中的ZrO2陶瓷喷嘴，还可以大量地用作陶瓷轴承。

在玻璃材料上也有很多发现和突破。现阶段国内大量使用一种能够发射红外线的节能玻璃，例如将其大规模地应用于一些高档建筑。另外，智能玻璃也是近年来新型玻璃技术的一项热门研究领域，智能玻璃通过电压的调节达到改变玻璃的透光度或对光谱的选择性。

发现矿物新用途是材料研究领域的终极目标，每一次重大的突破都可能会引起一次技术革命，同样会导致一种矿物资源替代或部分替代另一种矿物资源，从而引起矿业领域的一次洗牌。