从“一盘散沙”到“顶天立地”

　　薛 斌（上海海洋大学）

　　诗人说“一沙一世界”，佛家说“聚沙成塔”。提到沙子，你一定不会陌生。哪个宝宝不喜欢玩“堆沙堡”的游戏呢？即便已经长大成人，也一定向往着“阳光、沙滩、海浪、仙人掌，还有一位老船长”的世界吧。那么，沙子究竟是从哪里来的呢？你想过这个问题吗？

　　从何而来

　　翻开字典查看，“沙”字的第一个意思是“非常细碎的石粒”。显然，沙子是从石头变的，这一点有点儿像横空出世的孙悟空。不过，明明是三点水的“沙”，怎么就跟石头扯上了关系呢？再仔细翻看字典，原来，汉语中有“沙/ 砂”两个字，在表示沙子的时候，“砂”同“沙”，只不过在日常生活中用得较多的是“沙”字。看来，沙子既跟石头有关，又跟水有关。

　　自然生活常识告诉我们，地球这个美丽星球最不缺的就是石头，通俗地说，地球其实就是一个巨大的石球。石头给你留下了什么样的印象呢？第一印象恐怕就是坚硬吧。看似坚不可摧的岩石，其实也有脆弱的一面。在外力的作用下，石头也会裂开、破碎，直至粉身碎骨。当然，外力并不都是以简单粗暴的方式强行作用于石头上，也可能是和风细雨，想想“水滴石穿”这个成语便可明了。只要把时间轴线拉得足够长，拜大自然的鬼斧神工所赐，风吹、水流、日晒等作用方式都可以把石头像拿刀切水果一样切碎。这就是所谓的岩石的风化、剥蚀现象。经过千百万年的锤炼，地球上的一部分石头变成了细碎的颗粒，于是，沙子诞生了。在这个过程中，大到奔腾的江河，小到涓涓细流，都发挥了重要的作用，所谓“流水散石，水少沙现”。如此看来，“沙”字从“水”从“少”，也就不难理解了。

　　沙之本质

　　沙子的化学成分又是什么呢？

　　沙子来源于岩石，岩石来源于地壳。地球化学知识告诉我们，地壳的主要成分是氧（O）、硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）；那么，沙子的成分显而易见—沙子主要是由二氧化硅（SiO2）构成的，也就是地壳中排在前两位的元素氧和硅通过Si-O-Si 化学键形成。

　　当然，沙子里也会含有其他化学物质，很多时候， 这些杂质决定了沙子的颜色。例如， 我们常见的黄沙中含有水合氧化铁（Fe2O3·xH2O）， 含有赤铁矿（Fe2O3）的沙子呈红色，杂质非常少、纯度很高的沙子则表现为二氧化硅本身的颜色，也就是乳白色，这种白色沙子被称作石英砂，著名旅游景点北海银滩的沙子就是高品位的石英砂。

　　建筑之骨

　　这些人们司空见惯甚至于觉得微不足道的沙子有什么用处呢？切莫小瞧它们，那小小的身躯里有大大的梦想，沙子的用途可多啦，可以称得上是“顶天立地”。

　　先从“ 立地” 说起吧。沙子的第一大用途就是作为建筑材料。在漫长的岁月里， 人类的栖身之所经历了从天然洞穴到茅草屋，到土坯房、砖瓦房， 再到混凝土建筑的巨大转变。建筑材料在其中发挥了巨大作用。作为岩石的变体， 沙子自然可以成为建筑物的结构材料， 并且“ 身段柔软”的特性赋予了它更加灵活的使用优势。当然， 这里面有个前提，那就是需要用一种“ 胶水” 将沙子黏结起来； 否则， 只是“ 一盘散沙”， 不堪大任。伴随着水泥这种“ 胶水” 的出现， 沙子终于可以大显身手了。我们今天所享受到的高楼大厦带来的舒适与便利， 完全得益于混凝土的功劳。混凝土就是以沙子作为骨架材料、水泥作为胶凝材料， 再加上水和其他助剂， 按照一定比例混合而成的最重要的现代建筑材料。

　　世上沙子千千万，但并不是任何一种沙子都适于作为建筑材料。经过河流的千淘万漉，河底沉积的沙子颗粒大小适中，表面光滑，盐碱杂质较少。因此，河沙是最佳选择。河沙的沉积需要较长时间，储量有限，开采之后还会使河道生态遭到严重破坏，因此，是一种宝贵的不可再生资源，需要加以节约和有序利用。相对河沙而言，海沙和沙漠沙储量巨大，但是由于含有较多的盐碱杂质，对钢材有腐蚀作用，因而不能用于生产建筑混凝土。

　　玻璃世界

　　沙子与玻璃也有不解之缘。

　　传说在距今4000—3000 年的地中海沿岸，奔波在外的商旅或是正在行军打仗的军队，在生火做饭时偶然用碳酸钠矿石来支撑锅灶。饱餐一顿之后，人们惊奇地发现，锅底上沾染的沙子竟然变成了一种具有美感的透明的“宝石”。就这样，人类在不知不觉中发明了玻璃。不过，也有专家认为这个传说并不可靠，因为生火做饭产生的温度远远达不到制造玻璃所需要的高温。但不管怎样，沙子中含有的二氧化硅无疑是制造玻璃的重要原料，并且玻璃的主要成分也的确是二氧化硅。当然，现代玻璃工业生产中使用的主要原料是石英砂，而非普通沙子。

　　除了给人类生活带来了便利和美观外，玻璃还对科学，特别是化学的发展做出了巨大贡献。从沙子到玻璃，再到化学，冥冥之中似乎隐藏着一条脉络。有这样一种说法，由于玻璃产生于西方文明世界，透过这种透明的容器，人们可以观察到里面物质发生的变化，所以，化学最终诞生在西方世界。

　　而古老的中国以陶瓷器闻名于世，但陶瓷器并不透明， 于是我们的祖先就与化学的诞生失之交臂。时至今日， 化学实验中种类繁多的玻璃器皿仍然是不可或缺的。或许， 一流的化学家首先应该是个高超的玻璃工的说法也并不过时。

　　铸造模范

　　沙子还可以用于翻砂铸造。

　　应用这种工艺铸造金属构件，首先，需要在砂箱中放置模具；再填充进由黏土黏结沙子而制成的型砂；之后，将模具取出，得到具有特定形状空腔的砂型，并将熔化的液态金属浇入中空的砂型里；待冷却后，去除砂型，就得到了需要的金属构件。

　　翻砂铸造工艺具有悠久的历史，我们的祖先在很早以前就掌握了这项技术，并由此创造出灿烂的青铜器文明。大家耳熟能详的后母戊鼎、四羊方尊等都是青铜器的杰出代表。不仅如此，古代钱币在铸造过程中也使用了翻砂工艺。

　　从古至今，翻砂铸造工艺传承不断，历久弥新，沙子在其中发挥着无可替代的作用。

　　一步登天

　　最后来说说沙子是如何“顶天”的吧。

　　芯片是现代集成电路工业中必不可少的半导体元器件，航空、航天、军工等高科技领域，以及日常生活中我们用的手机、电脑、冰箱、洗衣机……几乎所有电器设备都离不开芯片。芯片的基底是单晶硅材料。那么，单晶硅从何而来？这里提到了硅，你一定马上联想到含有二氧化硅的沙子。对！就是沙子，高纯度、高品位的白色沙子，即石英砂，是制造单晶硅的重要原料。

　　制造单晶硅的第一步是得到粗硅，也就是把石英砂中的二氧化硅在1800℃的高温条件下用碳还原为单质硅；之后，将粗硅与氯气反应，得到液态的四氯化硅（SiCl4）；四氯化硅经过精馏提纯后被超纯氢气还原，生成纯度较高的单质硅；最后，用逐步分段熔解—凝固的区域熔融法处理单质硅，就得到了高纯单质硅。

　　这种高纯单质硅经过直拉—裁切—打磨—切片等工序，最终变成了特定尺寸的单晶硅片。单晶硅片再经过刻蚀、镀铜及封装等工艺流程，最终成为一枚枚可以大显身手的芯片。

　　意外不意外？ 惊喜不惊喜？ 没想到吧， 沙子的贡献是如此之大，看来“一沙一世界”不仅包含着哲理，还蕴藏着不少科学知识。

　　【责任编辑】赵 菲

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