手機竟然是沙子做的？揭秘Spruce Pine地區高純度石英的前世今生

【獵雲網（微信號：ilieyun）】8月13日報道 （編譯：檸萌）

編者註：本文作者文斯·貝瑟是一位屢獲殊榮的作家，他的作品曾在《連線》、《哈珀斯》、《大西洋月刊》、《瓊斯母親》和《滾石》等刊物上發表。他畢業於加州大學伯克利分校，現居洛杉磯。

那是一個陰冷的星期天早晨，在北卡羅來納州的Spruce Pine地區，亞歷克斯·格洛弗（Alex Glover）坐在麥當勞前的塑料長凳上。他翻遍了背包，然後拿出一個裝滿白色粉末的塑料三明治袋。「希望我們不會被捕，」他說。「有人可能會對我手上的東西產生誤解。」

格洛弗是一位地質學家，剛剛退休，他花了幾十年的時間在這個小鎮周圍的阿巴拉契亞山脈的山坡和山谷中尋找有價值的礦產資源。他身材矮小，圓圓的，戴著小橢圓形眼鏡，留著整齊的白色小鬍子，和頭髮呼應著。他頭上戴著一頂吉普棒球帽。他說話慢吞吞的，語調強度中等。他喜歡強調第一個音節，並拉長了一些母音。我們一邊喝著咖啡，一邊聽他解釋為什麼這個偏遠地區會對世界產生非常重要的影響。

Spruce Pine地區並不富裕，它的中心是一個夢遊者火車站，街對面是兩棟兩層的磚砌建築，裡面是一個長期關閉的電影院和幾家空置的店面。

然而，Spruce Pine地區周圍樹木繁茂的群山中蘊藏著各種各樣令人嚮往的岩石，有些因其工業用途而受到人們重視，有些則因其純粹的美麗備受喜歡。格洛弗塑料袋裡的礦物質正是它——像白雪一樣純白的顆粒，像糖粉一樣柔軟。這種物質是目前最重要的。它是石英的，但不是普通的石英。事實證明，Spruce Pine地區擁有最純凈的天然石英石——一種地球上從未發現過的原始沙土。這種超精礦的二氧化硅顆粒在製造用於計算機晶元的硅方面起著關鍵作用。事實上，你的筆記本電腦或手機能很好地運行取決於晶元，而這些晶元很有可能是用阿巴拉契亞偏遠地區的沙土製成的。「這是一個價值10億美元的產業，」格洛弗大笑著說。「開車從這兒經過是看不出來的。你永遠也不會知道。」

在21世紀，沙石變得比以往任何時候都更重要，而且這一點在很多方面都能體現出來。這是一個數字時代，在這個時代里，我們從事的工作、我們用來消遣的娛樂工具以及我們相互交流的方式越來越多地由互聯網定義，也由將我們與網路相連的電腦、平板電腦和手機所定義。如果沒有這些沙石，這一切都不可能發生。

世界上大多數的沙粒是由石英組成的，石英是二氧化硅的一種形式，也被稱為硅石。高純二氧化硅顆粒是我們製造計算機晶元、光纖電纜和其他高科技硬體（虛擬世界運行的物理部件）的基本原料。與用於混凝土或土地復墾的石英石山相比，用於這些產品的石英石的數量微不足道，但其影響是不可估量的。

Spruce Pine地區的礦物寶藏是該地區獨特地質歷史的結果。大約3.8億年前，該地區位於赤道以南。板塊構造把非洲大陸推向了美洲東部，迫使較重的海洋外殼——海洋水下的地質層——移動到了較輕的北美大陸之下。巨大的摩擦產生了高達2000華氏度的熱量，融化了地表以下9到15英里的岩石。熔融岩石受到的壓力迫使其大量進入周圍宿主岩石的裂縫和裂縫中，在那裡形成了被稱為偉晶岩的沉積物。

深埋的熔融岩石花了大約1億年的時間冷卻、結晶。由於埋在地下的深度足夠加上缺水，偉晶岩形成後幾乎沒有任何雜質。一般來說，偉晶岩大約有65%的長石、25%的石英、8%的雲母以及其他礦物的痕迹。同時，在大約3億年的時間裡，阿巴拉契亞山脈下的板塊向上移動。天氣等自然現象侵蝕了裸露的岩石，最後剩下偉晶岩的堅硬岩層留在地表附近。

Unimin在北卡羅萊納的石英工廠提供了世界上大部分的高純度和超高純度石英。

美洲原住民開採出閃閃發光的雲母，將其用作墳墓裝飾和貨幣。19世紀，美國殖民者開始慢慢地進入山區，以務農為生。一些勘探者試圖涉足雲母行業，但由於山區地形陡峭，他們遭遇了重重困難。

1903年，該地區的前景開始有所改善。當時，鐵路公司正在修建一條從肯塔基到南卡羅來納的鐵路線。他們在山上開闢了一條鐵路，這是一條蜿蜒曲折的神奇路線，蜿蜒20英里，僅上升了1000英尺。這條通往外部世界的大路一經開放，採礦業開始復甦。當地人和勘探者在後來被稱為Spruce Pine礦區的山區挖了數百個豎井和露天礦井。這個礦區長25英里，寬10英里，綿延三個縣。

雲母之前被用於木材和煤炭燃燒爐窗和電氣絕緣真空管電子，受到人們的重視。現在它主要用作化妝品特別添加劑、密封劑和石膏板接縫化合物等。在第二次世界大戰期間，市場對雲母和長石的需求激增，在該地區的偉晶岩中發現了大量的雲母和長石。Spruce Pine開始繁榮起來。這個小鎮的規模在20世紀40年代擴大了四倍。在鼎盛時期，Spruce Pine擁有三個電影院、兩個游泳池、一個保齡球館和許多餐館。每天還有三列客運火車通過。

到本世紀末，田納西河谷管理局（TVA）派遣了一組科學家前往Spruce Pine，負責進一步開發該地區的礦產資源。他們把注意力集中在能掙錢的雲母和長石上，想把這些礦物從其他礦物中分離出來。一塊典型的Spruce Pine偉晶岩看起來就像一塊奇怪但很誘人的硬糖：大部分是乳白色或粉色的長石，鑲嵌著閃亮的雲母，還有清澈或煙狀的石英，以及一些深紅色的石榴石和其他顏色的礦物質。

多年來，當地人只是簡單地把偉晶岩挖出來，用手工工具或粗糙的機器碾碎，然後用手將長石和雲母分開。剩下的石英被認為是垃圾，好一點的用作建築砂，大部分都與其他尾礦一起被丟棄。

TVA的科學家與位於阿什維爾附近的北卡羅來納州立大學礦物研究實驗室的研究人員合作，開發了一種更快、更有效的分離礦物的方法，叫做泡沫浮選法。「這種方法徹底改變了這個行業，」格洛弗說。「它使這個行業從一個體產業發展成為一個大型跨國公司產業。」

泡沫浮選法是將岩石倒入機械破碎機，直到它們被分解成一堆混合礦物顆粒。你把混合物倒進罐子里，加水使其變成乳白色的漿液，攪拌均勻。接下來，加入與雲母顆粒結合的化學物質，使其疏水。疏水是指它們不想接觸水。現在用管子把氣泡從漿液中抽出來。由於疏水性，雲母顆粒會瘋狂地抓住氣泡，並被帶到水箱頂部，在水面形成泡沫。一個槳輪從泡沫上滑下來，把它分流到另一個水箱里，水箱里的水被排出。雲母被成功分離出來了。

剩下的長石、石英和鐵從水箱底部排出，並通過一系列的槽流入下一個水箱，在那裡進行類似的過程讓鐵浮起來。再重複這個過程讓長石分離出來。

長石現在主要用於玻璃製造。首先把工程師從康寧玻璃公司吸引到該地區的正是長石。當時，人們認為石英砂是無用的產物。但一直在尋找質量材料的康寧工程師注意到石英的純度，開始購買它，並把它通過鐵路向北運送到康寧在紐約伊薩卡島的工廠。到了工廠，石英就被生產成了從窗戶到瓶子等等各種玻璃製品。

20世紀30年代，Spruce Pine石英在玻璃領域取得了一次偉大的成就。當時康寧公司贏得了一份合同，為世界上最大的望遠鏡製造鏡子，該望遠鏡是由南加州的帕洛瑪天文台訂購的。製作這面200英寸、20噸重的鏡子需要在一個加熱到2700華氏度的巨大熔爐中熔化一座座石英山。

一旦爐子溫度足夠高，「三個晝夜不停工作的人就開始通過一端的一扇門在沙子和化學品中敲打。原料慢慢融化，每天只能添加4噸。慢慢地，爐底開始出現一個火辣辣的水池，慢慢地上升，形成50英尺長、15英尺寬的熾熱的湖。」該望遠鏡於1947年安裝在天文台。它的威力空前，促成了關於恆星組成和宇宙本身大小的重大發現。至今仍在使用。

儘管這台望遠鏡很重要，但隨著數字時代的到來，Spruce Pine石英很快就扮演了更為重要的角色。

20世紀50年代中期，在距離北卡羅來納州數千英里的加利福尼亞，一群工程師開始研究一項發明，這項發明後來成為了計算機工業的基礎。貝爾實驗室的開創性工程師威廉·肖克利（William Shockley）曾參與發明晶體管。他在加利福尼亞州山景城成立了自己的公司。山景城位於舊金山以南約一個小時車程的地方，離他長大的地方很近。斯坦福大學就在附近，通用電氣和IBM在該地區都有工廠，還有一家叫惠普的新公司。當時，被人們稱為聖克拉拉谷的地方仍主要生產杏、梨和梅子。不久之後，它就獲得了新綽號——矽谷。

當時，晶體管市場正在迅速升溫。德州儀器、摩托羅拉和其他公司都在競相開發更小、更高效的晶體管，用於其他產品和電腦。第一台美國計算機ENIAC是在第二次世界大戰期間由軍隊開發出來的，它長100英尺，高10英尺，在18000個真空管上運行。

晶體管是一種微小的電子開關，可以控制電流的流動。它提供了一種方法可以取代這些管，使新機器功能更強大的同時面積反而縮小了。半導體——包括鍺和硅在內的一類小元素，可以在一定溫度下導電，而在其他溫度下則會阻擋電流。半導體看起來像是可以製造晶體管的可行材料。

在肖克利的創業公司，每天早上都有一群年輕的博士把窯爐燒制到數千度，然後開始熔化鍺和硅。湯姆·沃爾夫（Tom Wolfe）曾在《時尚先生》雜誌上描述這一幕：「他們穿著白大褂，戴著護目鏡和工作手套。當他們打開窯門時，奇怪的橙色和白色的光划過他們的臉……他們將一個小的機械柱放入粘稠物中，這樣就在柱的底部形成了晶體。然後，他們把晶體取出，試圖用鑷子把它夾住放在顯微鏡下，用鑽石刀把它切成小片、晶圓片、晶元。在電子學中，這些微小的形式是沒有名字的。」

肖克利開始相信，硅這種材料未來一定會非常重要，所以他把自己的注意力轉移到了硅上。「因為他已經擁有了第一家，同時也是最著名的半導體研發和製造公司，因此，所有之前一直在研究鍺的公司都停下了手頭的工作，轉而選擇了硅作為研究對象，」喬爾·薛金（Joel Shurkin）在他關於肖克利的傳記《破碎的天才》中寫道。「的確，如果沒有他的決定，我們現在恐怕討論的就不是矽谷，而是鍺谷了。」

肖克利是個天才，但據說他也是個差勁的老闆。幾年後，他手下幾名最有才華的工程師跳槽，創辦了自己的公司，他們將這家公司命名為仙童半導體。其中一位創始人是就羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce），他是一才華橫溢的工程師，年僅25歲左右就已經以擅長晶體管方向而聞名。

1959年，諾伊斯和他的同事們發現了一種方法，可以把幾個晶體管塞到一個指甲大小的高純硅薄片上。幾乎在同一時間，德州儀器公司開發了一種類似的鍺製造的小器具。然而，諾伊斯公司的效率更高，而且很快就主導了市場。NASA選擇了仙童公司的微晶元用於太空計劃，很快銷售額就增長到每年1.3億美元。1968年，諾伊斯離開，創立了自己的公司——英特爾，並很快主導了新興的可編程計算機晶元行業。

英特爾在1971年發布的第一個商用晶元包含了2250個晶體管。今天的計算機晶元通常由幾十億個晶體管組成。那些微小的電子方塊和矩形是我們的電腦、互聯網和整個數字世界的大腦。谷歌、亞馬遜、蘋果、微軟以及支撐從五角大樓到當地銀行的一切工作的計算機系統——所有這些以及更多的東西——都是基於用沙石重新打造出來的硅晶元。

製造這些晶元是一個極其複雜的過程。雖然硅很多，但是人們需要的是純硅。問題是它從來不會以純元素的形式自然發生。分離硅需要大量的工作。

第一步是採用高純度的用於玻璃的硅砂。有時也用塊狀石英。然後，這些石英在一個強大的電爐中被炸開，形成一種化學反應，將大部分氧氣分離出來。剩下的就是所謂的硅金屬，也就是99%的純硅。但對於高科技應用來說，這還遠遠不夠。太陽能電池板用的硅必須是99.999999%的純度。電腦晶元的要求更高，它們的硅必須是99.99999999999999%的純度。多晶硅是一種極其純凈的硅，將成為太陽能電池和電腦晶元的關鍵成分。

下一步是熔化多晶硅。你需要用一種材料製成的坩堝，這種材料既能承受熔化多晶硅所需的熱量，又有一種不會感染它的分子組成。那種物質是純石英的。

這就是Spruce Pine石英的由來。它是世界上製造熔融石英坩堝所需原材料的主要來源。這種坩堝可以用於熔化計算機晶元級多晶硅。

如今，成立於1970年的Unimin公司主導著Spruce Pine石英的生產。該公司在北卡羅來納州的石英業務供應了世界上大部分的高純度和超高純度石英。近年來，另一家名為Quartz Corp的公司設法在石英市場上搶佔了一小塊份額。

在他家裡，格洛弗在顯微鏡下給我看了幾眼。從儀器的鏡頭（鏡頭本身是用一種不那麼純凈的石英砂製成的）來看，這些鋸齒狀的小碎片像玻璃一樣清晰，像鑽石一樣明亮。

晶元製造商用一種叫做光刻的工藝在晶圓片上刻下晶體管的圖案。銅被植入連接數十億晶體管形成集成電路。然後晶圓片被切割成極其微小的四邊形晶元——電腦晶元、手機或筆記本電腦的大腦。整個過程需要數百個精確的、精心控制的步驟。這種晶元輕而易舉就成為了地球上最複雜的人造物體之一，但卻是用地球上最普通的東西製成的：簡陋的沙子。

據估計，全世界每年生產的高純度石英的總量為3萬噸，比美國每小時生產的建築砂的總量還少。Unimin公司對生產數據非常敏感，絕不輕易透露。現在，Unimin甚至不允許礦產研究實驗室的工作人員進入礦山或加工設施。承包商來做維修工作時必須簽署保密協議。出於同樣的原因，Unimin從多個供應商購買設備和零部件。格洛弗聽說，承包商被蒙住眼睛進入加工廠，直到他們到達自己工作的特定區域，還有一名員工因未經授權而被當場解僱。他說，公司甚至不允許員工與競爭對手交往。要驗證格洛弗的故事是很困難的，因為我根本無法通過任何方式與Unimin取得聯繫。我曾經嘗試過親自去往加工廠進行調查，仍然以失敗告終。

在Spruce Pine地區，所有的財富都是從地里挖出來的，但沒有多少能留在那裡。如今，這些礦山都歸外國公司所有。他們高度自動化，所以不需要很多工人。

米切爾縣的家庭收入中值略高於3.7萬美元，遠低於全國平均水平51,579美元。全縣15000人中的20%，幾乎都是白人，而且生活在貧困線以下。只有不到七分之一的成年人擁有大學學位。人但是們總能找到辦法勉強度日。格洛弗的副業是在他的家裡種植聖誕樹。為數不多的新工作來源之一是該地區剛剛建立的幾個巨大的數據處理中心。受到廉價土地的吸引，谷歌、蘋果、微軟和其他科技公司都在距離Spruce Pine一小時車程的地方開闢了伺服器農場。

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