杂质带来的意外收获

让我们继续将目光聚焦于远古时代，加热和金属加工时所用的火制造出最早的玻璃。最初可能是因沙子被加热后意外形成玻璃液滴。即使是这样的意外也制造出了有趣的产品，这些玻璃珠可以用于制作装饰品。经过经验的积累和熔炉的改进，人们可以生产许多装饰产品，以及实用的食品器皿等。玻璃开始广泛应用在盘子、水壶和花瓶等家用器皿以及彩色珠宝和彩色玻璃窗中。对玻璃生产的认识也是陶器和瓷器釉的基础。玻璃的颜色在很大程度上取决于是否存在微量杂质，但这些“缺陷”同样会影响其他多种性质，例如强度或对化学侵蚀、物理冲击或热冲击（如在烤箱中）的耐受性。与金属一样，通过快速冷却，刻意在表面制造玻璃网络的结构缺陷。这样一来可以产生热应力，有助于降低玻璃掉落时破碎的可能性。从轻便的奶瓶到餐具和汽车挡风玻璃，这样的例子比比皆是（与现代奶瓶相比，博物馆里的奶瓶显得非常笨重）。现代用法和改进（将在后续章节中讨论）涉及各种各样的玻璃制品，从眼镜、望远镜、显微镜、装饰玻璃器皿、双层玻璃到光纤。目前用于远程通信的光纤为所有类型的玻璃产品设定了最高生产标准，因为光纤生产中对杂质的控制至关重要，且光纤玻璃的透明度大约是窗玻璃的一百万倍。

在早期玻璃制造业中，行业的秘诀在于知道需要添加哪些化合物才能使玻璃在低温下熔化或软化，或者产生特定的颜色。对两千年前的火与熔炉来说，以石英颗粒为主的天然砂熔点过高。因此，人们向其中添加必要的“杂质”，使玻璃在较低温度下也可熔化或软化。用“杂质”一词显然不够恰当，因为在汽车挡风玻璃或车窗等材料中，“杂质”可能占玻璃成分的50%以上。从历史上看，我们已经发现了青铜时代晚期的玻璃制品，在叙利亚、美索不达米亚和埃及附近地区也出现了我们认为类似于现代玻璃的材料，到公元前650年左右，人类已经有了《玻璃制造手册》。中国也发现了年代相近的玻璃制品。在设计和颜色变化方面，过去两千年来的许多玻璃制品都很成功，并进行过多次改造。

材料中的杂质与缺陷

在后面的章节中，我将讨论现代玻璃生产，包括改变世界的创新之举——浮法玻璃，它为现代建筑提供了各种各样的玻璃产品，从巨大的家用双层玻璃板到整个摩天大楼的覆层。在过去的50年中，同样重要的还有光纤在通信领域的应用。没有光纤，就没有互联网。这两个例子都涉及精确控制杂质和玻璃网络的排列，杂质的含量各不相同，从大量添加“杂质”（即掺杂剂）以控制光纤中的折射率和光速，到几乎能够清除吸收各波长的光的杂质。就这两种情况下的杂质原子含量而言，前者的杂质含量可能占玻璃的百万分之几百，后者则需要将不利的杂质含量控制到十亿分之一。对这样的数字尺度，我们几乎没有直观感受。十亿分之一可简写为1/109。

玻璃制造商和半导体行业都有一定的误导性，因为他们经常自豪地宣称自己对主要杂质的控制已达到极端水平（如控制到十亿分之一），但很少提及更高比例的其他添加物或背景垃圾，它们在光学或电学上无足轻重，或用于降低二氧化硅基质玻璃的熔融温度，或用于提高折射率。

半导体技术

半导体处于绝缘体和导体之间，我们将在后文中详细介绍，它们的导电特性以及所有的现代电子技术完全依赖于对杂质的精准控制。在过去的80年里，这些缺陷主宰着我们的生活，并彻底改变了我们的生活。这个行业十分明智，没有将这些杂质描述为缺陷，出于营销目的，它使用了更正面的词——“掺杂剂”。这个词传递出了一个信息，即他们特意加入这些物质，并理解其分布与作用。于是又一次出现了与添加杂质相关的自欺欺人现象和刻意炒作。

还有一些缺陷也不难想象，一种叫作“空位”，即一个离子从晶格格位消失，还有一种叫作“间隙”，即一个离子位于晶格格位之间。杂质可能位于晶格格位，也可能位于格位之间，或者聚集在一起。更极端的例子是包含新的化合物。一些简单的教科书将其描述为“点缺陷”，这多少有些不妥。诚然，缺陷的核心可能靠近晶格中的单个格位，但实际上，这种说法过于简单，因为一个格位的缺陷会使结构松弛或压缩，并导致材料在更大面积上的变化和变形。用烹饪作类比，就像一盒鸡蛋中，一个坏鸡蛋产生的气味会扩散，远远超出它所在的位置。也可以用一条连裤袜上的网眼来类比晶格缺陷。如果这种网状织物中出现一处瑕疵，变形的区域会远远大于最初有问题或编织存在缺陷的区域。在后文的例子中，我会根据需要进一步对这个问题展开讨论。

然而，缺陷是所有金属、玻璃、半导体和现代光子产业的关键。本征缺陷很难消除，但我们可以在很大程度上去除或限制外部垃圾（杂质）。通过半导体和光纤的例子，我们可以发现，只有在充足的商业利益的激励下，人们才会保持加工过程的清洁，从而减少系统中不利的杂质，尽可能清除或限制外部垃圾，甚至将其含量降低到十亿分之一（1/109）。在挑选与准备化学品以进行制造时，这种控制是一种极端且昂贵的挑战，尽管对许多材料来说是可行的，但在目前考虑的任何其他材料实例中，这种控制完全不划算。

正常的纯度是多少？

我想强调的是，十亿分之一已经远远超出了我们在一般日常生活中的考虑范畴。这并非意味着我们对如此少量的杂质的存在没有反应。例如，睫毛大约是我们体重的十亿分之一，但如果它掉入眼睑，我们就能非常清楚地感受到。对于现代材料，我们一开始可能很难理解一种杂质对固体中其他原子的影响，但我们可以用人类社会作类比，许多关键人物对数十亿人的生活产生了重大影响。然而，对技术专家来说，材料的缺陷所带来的问题或好处可能与银行家或政客的决策更为相似，后者会触发一系列小事件，这些事件又会导致全球范围的变化，如经济萧条或战争。

常见材料中的杂质

一般而言，我们很少能接触到“高”纯度的材料。例如，学校里化学品的纯度可能只有百分之几。在生活中的大部分领域，我们对不想要的杂质非常宽容，以至于常常会忽略它们。检查任何一包食品或一瓶饮料的标签，你会欣然发现，我们的“纯”天然产品中都含有添加剂，用来控制味道，延长储存期限，或者它们只是碰巧被包含在内。许多杂质甚至从未被讨论过，或者它们的名字对大众食品行业以外的人来说十分陌生，所以我们忽略了它们或者默默接受了它们的存在。许多电视节目指出，微量添加剂可能对我们的身体产生不良的副作用，哪怕这些添加剂的含量只是我们体重的十亿分之一。例如，一些食品中的除草剂浓度低于百万分之一，看起来似乎无害，但是进入人体以后，它会集中到不同的器官中，浓度达到千分之一甚至更高。不幸的是，许多除草剂都符合这种模式。

我们自我克制，刻意忽视这些杂质，这可能是一种防御机制，因为我们不愿面对这样一个事实：我们日常所吃的面包（或大米）中不完全是谷物。农民和面包师都很清楚，谷物存储仓不可避免地会有土壤、杂草、老鼠排泄物，甚至死老鼠。我们肯定希望杜绝污染，尤其是啮齿类动物的污染，但这是一个现实的问题，据估计，全世界的啮齿类动物会污染或吃掉我们20%的食物。也许我们指望通过加热对食物进行消毒，但这样做并不能去除杂质。因此，我们需要接受一定程度上的污染。

总的来说，我们可能并不愿意考虑这些问题，也不愿意去思考那些描绘“纯”健康产品的光鲜广告。在对这些杂质产生心理上的排斥时，我们可能忘记了它们带来的额外好处，一些“天然添加剂”提供了人类日常饮食所需要的重要微量元素。广告中对“完美”的关注也是对现实的扭曲，导致我们对从消费品到身材的一切事物都产生了不切实际的渴望。

认识非标准情况

将思路扩展到晶体缺陷之外，在人类行为中也能看到类似的效应。非标准居民会对社区产生广泛的影响，比如一位医生会为数百人治病，或者一个外国餐馆老板可能会改变整个社区的饮食习惯。大蒜味道会传播很远，气味往往会引发情绪反应，因此很多人会对这样的讨论感到紧张。与生活在农村的居民相比，城市居民对气味的敏感性受到了抑制。但在良好动机的驱动下，我们对信息素也会有很高的敏感性。

我们的鼻子不具备动物（如狗）那样的嗅觉灵敏度。这也不足为奇，因为狗的嗅觉感受器数量大约是人的200倍，即便如此，狗对气味的敏感程度也远不及飞蛾。一只雄性飞蛾显然可以探测到雌性飞蛾的气味，后者的信息素 浓度只有空气中局部分子浓度的十亿分之一。这令人惊叹，但飞蛾也必须检测到浓度梯度，才能知道朝哪个方向飞行。同样，鲑鱼会洄游到自己出生的河流产卵。就太平洋鲑鱼而言，它们会在产卵后死去。为了找到自己出生时的河流，它们会利用那条河流的气味特征，这需要对海洋中的气味进行信号处理，从而分离出“家乡”河流所特有的十亿分之一的杂质的影响。与这两种动物相比，人类的气味分辨能力通常较差，这两种生物证明了十亿分之一的杂质会产生多么重大的影响。在某些情况下，坏鸡蛋释放的硫化氢（H2S）含量达到约十亿分之五时，我们才有可能闻到气味。与农村居民相比，生活在城市里的居民对信息素和气味的敏感性低得多，考虑到嗅觉在社交中的重要性，这称得上一个相当大的损失。所以，晶体的一个缺陷造成大范围的影响（后文将进行讨论），这种现象既不是晶体所独有的，也不是令人印象深刻的。

这种社会类比可能具有更广泛的意义，如果外来者的数量增加（相当于提高晶体中掺杂剂的浓度），他们往往会被隔离成一个语言、习俗不同的移民群体。封闭种群的稳定性会随规模的扩大而增加，但它不可能独立于宿主环境。宿主群体与其中包含的生物都会对彼此产生显著的影响。这种行为就是在晶体或玻璃中掺入杂质的写照。杂质原子经常会变成沉淀的夹杂物。它可能具有不同于主体材料的晶体结构，尽管如此，它对主体材料产生的影响可能会扩散甚远，同时也会受主体材料的影响。这些沉淀物被称为胶体，但这个名词已经过时，目前流行的术语是“纳米粒子”。

微小的纳米粒子的作用方式与主体不同，两者的内聚强度和相互作用存在明显的差异。这也是人们对纳米粒子的意外性质如此感兴趣的原因之一。例如，无论是作为独立单元还是作为绝缘材料中的夹杂物，小金属簇的熔点都与固体金属的熔点完全不同。纳米级金属颗粒的熔化温度会随颗粒直径的缩小而逐渐降低。成块金属如铁、金、银或铜通常在1000摄氏度左右才能熔化，但如果是非常小的纳米粒子，熔化温度可降至400摄氏度以下。其化学特性也不同于成块的金属。对纳米粒子的兴趣也推动人们去探索改进半导体光学和磷光体特性，并实现其在生物学上的应用。

缺陷的经济价值

在一个由经济驱动的社会中，我们不应低估缺陷的绝对必要性，即使这种缺陷只出现在一个看起来“完美”的产品的生命后期。尽管我们倾尽全力去制造性能符合要求的高质量材料，但如果产品始终如此，从未出现问题和故障，那么制造商就要面临非常棘手的局面。一些物品（如服装），很容易因使用而破损，此外，流行款式的变化也迫使人们定期购买新产品。在食品工业中，使用“添加剂”不仅会延长保质期，还会导致我们吃得更多。从某种程度上来说，这些添加剂与正常的食物加工相互作用，致使我们食欲大增，或者让胃无视大脑发出的“吃饱”信号。实际上，这也在一定程度上导致了人们的肥胖以及相关的健康问题。

相比之下，制造高质量的电子产品需要极为严格的把关，从而使电子部件能够顺利运行数十年。这些制造商已经失去了未来市场，除非他们能够施加心理压力，让人们购买不同包装的相同产品，或对产品进行重大升级，使人们认为自己的电子产品已经过时。手机制造商尤其擅长这一点，众所周知，一些制造商会故意对旧手机进行远程编码，使其运行速度下降。对这些公司的司法处罚并不重，而那些被欺骗的客户却得不到任何补偿。

在汽车行业，事情更加简单，由于钢材和部件生锈，驾驶员发生事故，座椅材料磨损和流行趋势改变，大多数汽车都要在几年之后进行更换。其他现代产品，如双层玻璃，其行业面临更加严峻的挑战。这些产品造价高昂，用在摩天大楼等大型建筑中，置换成本巨大。因此，在这样的市场中，必须保持双层玻璃的隔绝性、不渗透湿气的气密性、热反射涂层的稳定性，如果出于美观的目的选择了青铜色或绿色玻璃，还需保持其颜色的完整性。紫外线照射、风化作用以及风暴等必然会造成建筑物的损坏，但摩天大楼双层玻璃的预期寿命应为几十年。相比之下，家用双层玻璃并不需要如此高的性能标准，因为家用双层玻璃的更换简单得多，而且人们可能会搬家，或者改变许多家居布置。在这种情况下，制造商可能会希望产品出现一些缺陷和故障。由于大多数公司都会提供十年的质保服务，因此熟练的工程人员必须对产品的预期寿命进行优化，例如将其控制为十五年，这样一来，产品的更换既可以维持制造商的运营，也不会让购买者感到吃亏。

商业驱动的改变和内在缺陷是制造业寻求经济效益的优先策略，但这些策略有时也会破坏地球的自然资源。