矿物学地位大颠覆!50年矿物学大家说它影响人类进程!
2019-09-25 10:09 来源:矿材网 编辑:矿材网

 矿物学作为地学的基础学科,不仅影响着地学发展进程,同时对全人类全学科发展起重要的影响作用。矿物学多年的发展至今,其内涵和外延有何新变化?目前大家对矿物学看法有何误区?将来矿物学又将给人类带来哪些惊喜?研究矿物学50年的大家将颠覆你对矿物学的旧认知!


 刘平:大家好,我是矿材网刘平,今天有幸在广州采访陈敬中教授,陈老师是我导师,也是我国早期专门从事矿物学研究教学的矿物学家,50年一直从事矿物学工作,对矿物学有深刻理解和认识。陈老师您做了一辈子矿物学,能谈谈现代矿物学的内涵和外延发生哪些深刻变化吗


矿物学是自然给全人类全学科的馈赠



 陈敬中:近十年我一直在琢磨这个问题,查阅各种资料,发现大家对矿物学存在很多错误认识,我从事矿物学研究工作50多年,有责任有义务把矿物做整体介绍,推进矿物学进步。


 什么是矿物学?要先从矿物说起,地球上有大约5000多种矿物,由100多种元素组成,这些矿物并不属于某些人或专属于某个学科,而是全人类的宝贵礼物。人类出现和发展时间对地球历史来说非常短,但矿物史却很长,它的历史比人类历史早几十亿年,矿物在没有人类甚至没有生物前已经存在,可以说矿物促进了地球和生物的发展。因此人们不能把矿物学限制在单一学科,应该从现代社会来理解矿物学,通过现代的数学、物理和化学理解矿物学,重新认识矿物学。因为矿物不仅为地学服务,同样可以对材料科学、物理学和化学发展起决定性作用。


 很多获得诺贝尔奖的研究和矿物学有很大关系。例如布拉格父子通过对X射线谱的研究,提出晶体衍射理论,建立了布拉格公式(布拉格定律),并改进了X射线分光计,凭借X光研究晶体矿物,布拉格父子连续获得诺贝尔奖,而他们是物理学家;另外,一些特殊元素,像铀和镭都是从矿物里面提炼而成,对核物理的发展起着重要作用;石墨烯也取自天然石墨,剥薄后通过其独特的特性改变科学的发展方向。所以说矿物学不仅为某一个学科服务,而是为全人类科学发展服务。


矿物学是一门地学基础学科,通过这一基础进而研究岩石学和地球化学等。矿物可经过变质作用、搬运作用、沉积作用和风化作用等形成共计5000多种矿物。这5000多种矿物通过不同的共生组合形成一百多种岩石,5000种矿物的结构特点影响着岩石性质和物化性能,决定了它对人类的作用。


要研究好矿物学,必须具有扎实的数理化知识,把矿物学搞清楚,通过研究矿物学解决地质问题、材料问题和现代环境等难题。


要注意的是,矿物学与结晶学关系非常密切。矿物的三维空间是原子周期排列的表现形式,矿物的成分和结构决定其重要作用,要开发一种矿物,必须把矿物成分和空间结构搞清楚。


编写大矿物学,纠正矿物学误区



 我研究矿物几十年,感觉人们对矿物理解和认识误区很多,误区多的原因,是大家以矿物论矿物,这是个大问题,必须以现代物理化学和其他科技发展对矿物学的现象进行解释。


 上个世纪90年代我提出纳米矿物学时,很多人提出质疑,但是过了20年、30年后证明纳米矿物学很重要,也是研究纳米材料的重要方向。


 过去大家认为晶体对称只有32个点群和230个空间群,各种类型都是按周期排列。准晶体在刚被提出时也备受质疑,经过三十年研究证明了其存在,并获得诺贝尔奖。准晶体频率周期,不是按晶体学平移,而是无理数平移,以此发现了5次对称轴、8次对称轴、10次对称轴,让空间周期得以继续发展。我们提出推演方式和传统空间理论完全不一样,在国际上也基本得到认可。叶大年院士说,我们准周期研究成果和国际相比并不差,具有先进性,特别是晶体点群关系,将32个点群,现在发展到60个点群,填补了国际空间群的空白。


我在网上发现部分资料对矿物学解释还停留在原来的水平,有些甚至出现错误,我不想针对某个矿物解释,我希望编写一本大矿物学。目前矿物将近有5000个,我准备把矿物按结构分类,把岛状、层状、链状结构等结构关系相似的矿物归为一类解释清楚,解释清楚所有矿物需要将近300万字,我目前已经完成了70%左右,之后要花一两年的时间继续完善和修改,争取明年出版。做成一部丛书,分为自然元素、氧化物、硅酸盐和其它岩类几大部分,把所有矿物的基本数据、基本原理,基本地球化学特征讲清楚,作为后人的参考。


上世纪80年代由原武汉地质学院部分矿物学学者编写的系统矿物学,分为上中下三大部分,内容丰富完整,归类有条理,但是由于年代久远,难免有变化和错误。借助书中对矿物特征的描述,对矿物重新划分和调整,因为矿物学由于时代发展,增加了很多新的内容。我希望把我50多年积累的经验留给后人借鉴,在21世纪体现纪这本书的价值。


当年编写系统矿物学的专家也想改正这些矿物学的错误,但不具备条件。现在我们有机会也有条件,一定要把书编好,对矿物学在21世纪有更深刻的解读。我曾与叶大年院士交谈请教,他非常支持这个想法,但是叶大年由于身体不好,不直接参与书籍编写,但他准备为这本书作序谈他的想法。


学科进步 矿物学内涵外延将更加丰富



 矿物学属于什么范围,应该得到整个社会重视。不仅地质人要重视,研究材料科学的人应当更加重视,因为很多现代科学可以直接与矿物学挂钩。


 矿物在几十亿年前出现,而最简单的生物在五六亿年前出现,生物在不断进化的过程中,矿物起着重要的作用。


 自然界存在的多种元素形成多种矿物,在细菌的作用下与水、氮气、氧气、二氧化碳反应,从完全无机化合物或单一元素逐渐变成小分子、大分子、简单有机物、单细胞生物、多细胞生物,最后进化成人类,人类出现后才有对矿物的研究,人类在发展过程中通过数学、物理、化学和计算机等最新的知识技术不断加深对矿物原子坐标的研究。


 彭志忠先生带领教研室将近40人,花几个月时间对葡萄石结构不断推演计算,得出了葡萄石是层架状硅酸盐,虽然达不到现在的精度要求,但发现了从层状向架状过渡的硅酸盐,在当时大大推进了硅酸盐发展,拓展了矿物学结构分支。


 纳米现象在矿物学非常丰富,但是从思想上不熟悉纳米现象,大家就模糊纳米现象甚至忽略它,这是不对的。比方从纳米角度看矿物的晶胞,类质同相并非一个简单晶胞,而是多个,这些纳米现象对矿物的性质有很大的影响。


 所以说不能把矿物学简单理解成地质学科,还要把材料学等知识加入其中,才能对矿物有更好的理解。


 石墨烯的碳原子排列到达纳米级,其性质发生巨大的变化,不能忽视这种变化;镭的发现本应是矿物学的工作,却由物理学家完成。这就说明今后对矿物学的研究,不仅需要矿物学家努力,也需要物理学家和化学家来共同研究,充分利用大自然馈赠给我们的5000种矿物。


 纳米问题实际上是尺度问题,研究纳米粉末矿物时,实际上是在不同尺度研究矿物,其性质和一般尺度矿物有很大差别,研究深度也不一样,在开发利用方面有很大发展空间,因此我们要迎头赶上,不能在国际上掉队。


 二三十年前,虽然矿物工作者对纳米问题很感兴趣,但整体重视还是不够。如果把学科认识提高,研究成果会更好,开发出的产品也越好。稀土是很重要的矿物,但稀土矿颗粒往往很小,很多是纳米状态。开发利用也在纳米尺度进行,如果能利用好量子技术,稀土元素开发会更好。


 稀土是一大类元素,分布很广,在硅酸盐、碳酸盐、磷酸盐都有广泛分布。但稀土往往很分散,含量很低,有的甚至比银还少。但由于其特殊的原子分布和晶体特征,用于高科技方面将大有前途。


 我国在稀土开发利用上对比国际有一些优势,因为我国赣州和包头地区轻稀土很多。50多年前,我国的稀土矿渣大都被西方国家买去,其中可以提出很多贵重的稀土,制成很多高科技产品,这是我们没有做好资源开发的时期。经过几十年努力,我们对稀土的把控不比西方差,在国际贸易出现争议时,我国的稀土起了很重要的作用。另外,如铼、钨、钼、锰、干热岩和可燃冰等一系列资源,以往不知道如何利用,而现在则可以利用好。比方说煤自燃,过去我们只能想办法扑灭它,而现在我们把它用于发电;干热岩温度很高,现在用干冰就可以把这些热量利用起来。但利用新矿物的过程单靠地质单兵作战无法实现,必须要多个学科协同作战。


 美国原油能实现自给自足甚至外销,主要是由于发现页岩气,随科技不断进步开采成本不断降低,让美国原油能满足国家发展需求。


 随着科技进步,可供利用的矿物资源将越来越多,很多矿物学家提出月球上含有大量氦3,充分开发利用也是一种重要资源。


 刘平:矿物学的内涵发生了深刻变化,用现在的观点来看矿物学,陈老师给我们对矿物学内涵作出了新解读,让我们对矿物学的内涵和外延有不同的理解,让我们眼界大开,感谢陈老师!

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