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石之美者曰玉:玉的特性

98/10/13 瀏覽次數 22274
由於多晶互鎖的天生特質,閃玉是天然材料中韌度最高的礦物。由於多晶互鎖的天生特質,閃玉是天然材料中韌度最高的礦物。
 
考古研究發現,早在8千年前中國人就已經使用工具切割、琢磨玉器了。幾千年來,在中國的傳統文化裡,玉占有非常重要且崇高的地位。由於「石之美者曰玉」的說法,從礦物學或寶石學的角度來看,古玉常常不是某一種特定的礦物或它的變種。然而在清朝翡翠大量從緬甸引進中國之前,古玉有很大部分是我們今天所說的閃玉(nephrite)。

硬玉和軟玉?就是輝玉和閃玉


早期,玉分為硬玉和軟玉兩種。翡翠就是含鉻元素而呈現高雅翠綠色的一種硬玉。硬玉是輝石類礦物,現在稱為「輝玉」;軟玉則是角閃石類礦物,現在稱為「閃玉」。臺灣東部的玉礦,俗稱「臺灣玉」,以及新疆的「和闐玉」,就是道道地地的優質閃玉。

(左)輝玉,由輝石類礦物組成(右)閃玉,由角閃石類礦物組成(圖/(左)Dave Dyet,wikipedia(右)James St. John,flicker)
玉的軟、硬之分,原來是指兩者硬度的差別,但輝玉和閃玉的礦物學莫氏硬度都在 6 和 7 之間,其實相差並不是那麼明顯。事實上,材料科學研究結果顯示,閃玉是天然材料中韌度最高的礦物。因此,用軟玉和硬玉這樣的字眼非但不切實際,也容易誤導民眾。許多學者也不建議使用,而應該稱它們為閃玉和輝玉。

為什麼寶石摔不碎?

「硬度」是礦物晶體抵抗外力刮傷的能力,莫氏硬度表從1排列到10,代表的硬度由小到大。鑽石的莫氏硬度是10,是已知自然界中最堅硬的天然晶體。「韌度」則是指晶體抵抗破裂的能力,也就是說,受外力作用時,晶體破裂成兩片或多片的抗拒力。韌度越大,晶體掉落地面或受外力撞擊導致破裂的機率就越小。

試想,你佩戴的飾物一不小心掉落地面就破成兩片,你還會喜歡擁有它嗎?因此從韌度的角度而言,閃玉其實是極為理想的寶石材料。數千年來,閃玉在中國普遍為帝王、公卿、乃至庶民所喜愛,而且歷久不衰,不是沒有道理的。

閃玉的韌度之所以居各物質之冠,主要是角閃石晶體結構特徵所造成的。角閃石屬於雙鏈矽酸鹽礦物,這裡所謂的雙鏈,指的是半徑比較小的矽原子和4個氧原子先鍵結成矽氧四面體,矽氧四面體再以共用氧原子的方式連結,沿著C結晶軸方向延伸形成矽氧四面體鏈,每兩鏈再平行連接在一起形成一串雙鏈的基本構造單元。至於閃玉中的其他原子,包括鈣、鈉、鐵、鎂等比較大的陽離子,則占住在相鄰雙鏈構造單元之間,把無數矽氧四面體雙鏈連結成三維的閃玉結構。

(A)矽氧四面體以共用氧原子的方式連結成鏈,兩鏈矽氧四面體再平行相連,沿著C結晶軸方向延伸成為堅固的矽氧四面體雙鏈。這是理想化的閃玉基本結構單元,真實的閃玉雙鏈都有不同程度的曲折。(B)從橫剖面看,可以看到兩串矽氧四面體雙鏈(共4鏈)並排,但是四面體尖端一朝上一朝下,互相交錯。
這個雙鏈基本構造單元中,矽和氧的鍵結能較高,因此閃玉的C結晶軸是一個十分堅固的構造方向。在原子尺度下的矽氧鏈,在巨觀尺度下就成了纖維,例如在光學顯微鏡下就可以看到閃玉的纖維,主要就是沿著C軸方向成長。

原子尺度下的閃玉橫剖面結構,可以用4個同方向三角形連在一起代表矽氧四面體雙鏈。兩串尖端相對的雙鏈之間的空間,由鈣、鈉、鐵、鎂等比較大的陽離子占用。兩串尖端相背對的雙鏈之間的空間基本上是空的,就是閃玉結構中比較脆弱的地方。此外,雙鏈尖端反向的地方也是鍵結較弱之處。因此閃玉受到外力作用時,就容易沿著這些脆弱的地方裂開。不過原子實在太小了,以光學顯微鏡觀察時,看到的裂紋是沿著約略相交成120°∕60°夾角的兩組結晶面,也就是(110)和(110)兩組解理面。

(左)原子尺度下理想化的閃玉橫剖面結構, 4個三角形連在一起代表矽氧四面體雙鏈,大小圈圈代表鈣、鈉、鐵、鎂等比較大的陽離子,紅色虛線代表鍵結比較脆弱的地方,藍色虛線代表光學顯微鏡下觀察到的解理面。
不易摔破的閃玉

了解了閃玉的晶體結構,似乎並沒有解答閃玉高韌度的原因。具高韌度的優質閃玉,通常都具備了所謂的互鎖組織。互鎖組織是指一塊玉石是由許多微小的閃玉單晶彼此鑲嵌組成,這是閃玉和其他寶石很不一樣的地方。通常一顆美鑽,本身就是一顆金剛石的單晶,然而一塊優質閃玉卻是一個多晶體。

如果外力夠大,足以把外緣第1顆單晶沿解理面擊出裂紋,剩餘的外力繼續作用到相鄰的第2顆單晶時,由於方位不同,以及外力的減弱,要繼續讓第二顆閃玉單晶產生裂紋的機率相對降低。除非外力十分強大或作用時間短(即高的stress rate),否則由於前進玉石內部的外力會逐步消減,以及各玉石單晶解理方位互異的互鎖效應,再加上外力進到玉石內部的分支作用,要讓一塊優質美玉破成兩半的確不是那麼容易。因此閃玉的韌度高居天然物質之冠,也就實至名歸了。

玉石的多晶體互鎖組織將外力分散傳出,被削弱的外力多半只能沿解理面產生微尺度裂隙,造成玉石無與倫比的高韌度。
閃玉受外力撞擊時雖然不容易破裂,然而內部不也是會形成許多微細的裂紋嗎?的確如此。這些微細的裂紋正是玉石吸收外力的遺跡,而其存在就是玉石之所以可以「養」的主要原因。

閃閃發光的鑽石:多虧了全反射

日常生活中有一個常見的現象:戴眼鏡的朋友常常會以手絹或衣角擦拭鏡片,以便在閱讀時能看得更清晰。另外,戴鑽戒的朋友都知道使用軟布擦拭鑽石外表,好讓美鑽更為亮麗。這是為什麼呢?

先檢視一下光線在金剛石晶體中的進行路徑。鑽石的折射率高達2.42,臨界角只有24度,在適當的切割角度配合下,一束入射光可經兩次折射和兩次全反射後返回。一般低折射率的寶石,比如玻璃,由於臨界角高達42度,因此這種連續產生全反射,而使進入寶石的光線最後又回到觀察者眼中的機率就小很多。這是為什麼高折射率的金剛石,在適當角度的切割琢磨之下,會是如此璀璨亮麗的主要原因之一。

一束入射鑽石桌面AB的光線,折射後進入亭部面CD時,由於入射角θ大於臨界角而在S點發生全反射,射向另一亭部面DE,在T點第2次全反射後,射回桌面AB,經第2次折射而進入觀察者的眼中。
然而當有油脂覆蓋在鑽石表面上時,金剛石不再和空氣接觸,而直接和油脂相接。如果油脂的折射率是1.4,比空氣的折射率1大了40%,則鑽石臨界角增大為35度,比起和空氣接觸時的鑽石臨界角24度,足足增加了46%,全反射的發生機率就相對減少許多。反過來說,有效地清除鑽石表面的油脂,使鑽石表面直接和空氣接觸,就等於提升光線在鑽石晶體中全反射發生的機率,也就等於提升鑽石的光芒和亮麗。

美容霜和墩蠟

礦物學中,在描述礦物的光學性質時,有一項重要的參數稱為「光澤」(luster),主要是描述礦物表面對入射光的反射狀況。光澤主要取決於礦物的表面特性,越是光滑平整的表面,就越有光澤。

化妝品中的磨砂膏,主要功能之一是透過機械式的研磨,把角質化的粗糙不平的臉部表面,盡可能磨成平整的表面;美容霜則用來補平剩餘的凹凸的地方。如此一來,照射到臉部的光線會有更多的機率從臉部反射出來,給人的感覺就是光鮮亮麗,這和礦物學的「光澤」效應幾乎一致。

回過頭來看看我們的主角——閃玉。鑽石不希望油脂來攪局,相反地,玉石卻希望油脂多多益善。一般玉石的正常加工過程,在切割琢磨完成後,會加上一道「墩蠟」的步驟。這是一項公認的合法手續,是使蠟溶入切割琢磨好的玉器表面。這項過程的主要目的,是以蠟充填玉器表層的微細裂縫。臘的折射率可達1.4~1.5之間,墩蠟處理過的玉器,外表展示出的炫麗光澤,就好比經過濃妝豔抹的臉部散發出的亮麗光芒,令人眼睛為之一亮。

假如不做適當的保養,隨著歲月的流逝,玉器裂隙中的蠟會慢慢地消耗減少,這種表面特性的改變會大大影響玉器的光澤。在乾燥的地區,這種光澤遞減的效應也越發明顯。這就是為什麼寶石展示櫥窗內,除了寶石玉器外,常常可以發現在櫥窗的角落會擺一小杯清水,主要的目的就是維持櫥窗內適當的濕度。

玉可以養嗎?

常常聽到民間的說法,說玉鐲子越戴越變得翠綠,或玉墜子越戴越有光澤,這是一般民間所謂「養玉」的說法。

戴在身上的玉器,或經常把玩的玉石,都有充分的機會接觸到人體上或手中的油脂。這個不被注意的過程,其實就像玉石墩蠟的動作一樣,時間久了,玉石或玉器在油脂的長期滋潤下,所有微細裂縫都被油脂充填,因此表面變得更為光滑平整,自然就散發出優雅的光芒和色澤。就閃玉的天生特質而言,玉可以養其實是有科學根據的。(左)輝玉,由輝石類礦物組成(右)閃玉,由角閃石類礦物組成(圖/(左)Dave Dyet,wikipedia(右)James St. John,flicker)(A)矽氧四面體以共用氧原子的方式連結成鏈,兩鏈矽氧四面體再平行相連,沿著C結晶軸方向延伸成為堅固的矽氧四面體雙鏈。這是理想化的閃玉基本結構單元,真實的閃玉雙鏈都有不同程度的曲折。(B)從橫剖面看,可以看到兩串矽氧四面體雙鏈(共4鏈)並排,但是四面體尖端一朝上一朝下,互相交錯。(左)原子尺度下理想化的閃玉橫剖面結構, 4個三角形連在一起代表矽氧四面體雙鏈,大小圈圈代表鈣、鈉、鐵、鎂等比較大的陽離子,紅色虛線代表鍵結比較脆弱的地方,藍色虛線代表光學顯微鏡下觀察到的解理面。玉石的多晶體互鎖組織將外力分散傳出,被削弱的外力多半只能沿解理面產生微尺度裂隙,造成玉石無與倫比的高韌度。一束入射鑽石桌面AB的光線,折射後進入亭部面CD時,由於入射角θ大於臨界角而在S點發生全反射,射向另一亭部面DE,在T點第2次全反射後,射回桌面AB,經第2次折射而進入觀察者的眼中。
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