本文來(lái)自微信公眾號(hào)： 果殼 ，作者：李小葵，編輯：游識(shí)猷
沙子和礫石是僅次于水的全球第二大使用資源，也是使用量最大的固體材料。有意思的是，盡管沙灘和沙漠里的沙子那么多，沙子依然是國(guó)際貿(mào)易中的重要商品。
這是因?yàn)樯匙雍蜕匙硬⒉灰粯?。有的能變成摩天大樓，有的能變成芯片，還有的鋪滿了整片沙漠，卻派不上啥用場(chǎng)。
沙漠里的圓沙子，造不了方正的樓
蓋樓需要沙子，但承包下整個(gè)撒哈拉沙漠也沒法發(fā)財(cái)。
建房子需要用到混凝土，它由水泥、沙子、礫石和水混合而成。沙子不僅用來(lái)“填空”，也是受力結(jié)構(gòu)之一：混凝土能扛住巨大壓力，很大程度上靠的是顆粒之間的咬合和支撐。
但沙漠里的沙子做不到。
放大來(lái)看，沙漠沙子都圓滾滾的。它們經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的風(fēng)力搬運(yùn)、彼此碰撞，尖銳的棱角被磨平，尺寸也越來(lái)越接近。
如果用沙漠里的沙子當(dāng)混凝土的原料，這些圓溜溜的東西就很難“抓住”彼此，做成的混凝土也不夠穩(wěn)定。
建筑需要來(lái)自河流的沙子。
比起沙漠，河流的情況復(fù)雜得多：上游的巖石持續(xù)風(fēng)化、新顆粒不斷補(bǔ)充，水流無(wú)規(guī)律地作用于顆粒，還有很多顆粒沒來(lái)得及被磨圓，就沉在了河床里。
這樣一來(lái)，河砂保留了更多的粗糙表面和細(xì)小棱角。它們?cè)诨炷晾锵駸o(wú)數(shù)小小的卡扣一樣彼此嵌合，成為更具強(qiáng)度和穩(wěn)定性的整體。
所以哪怕是阿聯(lián)酋、沙特這樣有大片沙漠的國(guó)家，也需要長(zhǎng)期進(jìn)口建筑用砂。大自然花上萬(wàn)年磨出來(lái)的圓潤(rùn)顆粒，在游客眼里或許是風(fēng)景，在工程師眼里未必是資源。
我們的城市是凝固的河流
沙漠里的沙子沒法用，那就去河里挖。
問題是，全世界都在這么干。
聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署估計(jì)，人類每年消耗約500億噸砂石——如果把這些砂石沿赤道堆成一道圍墻，大約27米高、27米寬，足夠繞地球一整圈。
這些砂石成為了公路、橋梁、地鐵、機(jī)場(chǎng)跑道、高樓大廈等等基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。人類建設(shè)城市的過程，本質(zhì)上是在把河床和山體轉(zhuǎn)移到另一處地方。
但城市長(zhǎng)出來(lái)的速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于河砂形成的速度。
一粒河砂從巖石風(fēng)化開始，到形成可供開采的天然砂資源，往往需要數(shù)千年甚至更長(zhǎng)時(shí)間；而現(xiàn)代采砂船短短幾天即可開采數(shù)萬(wàn)噸砂石。
代價(jià)也在同步顯現(xiàn)：河床下切、河岸侵蝕、三角洲沉降，都與過度采砂有關(guān)。
湄公河沿岸因開采河砂，河岸被侵蝕，靠近河岸的房屋損毀丨Andy Ball/University of Southampton,CC BY-NC-ND
芯片時(shí)代，有些沙子變得更稀缺
我們?cè)凇傲俊鄙先鄙匙?，在“質(zhì)”上也缺。
半導(dǎo)體行業(yè)需要用到高純石英砂。
普通沙子中有石英，但也有多種礦物的混合物，這些雜質(zhì)可能導(dǎo)致晶體缺陷，從而降低產(chǎn)品質(zhì)量，甚至縮短設(shè)備壽命。
而高純石英砂追求的不是“石英占大多數(shù)”，而是“除了石英幾乎什么都沒有”。
高純石英礦礦石丨人民日?qǐng)?bào)海外版
比如光伏行業(yè)使用的高純石英砂純度通常要求達(dá)到99.99%以上；半導(dǎo)體行業(yè)要求更為苛刻，要求達(dá)到99.998%甚至更高。
90%和99.998%看起來(lái)只差不到10個(gè)百分點(diǎn)，換算成實(shí)際重量就完全是另一回事：一噸砂子里石英含量90%，意味著還有約100公斤其他礦物；純度達(dá)到99.998%時(shí)，一噸砂子里的雜質(zhì)總量只剩下約20克。
高純石英砂丨人民日?qǐng)?bào)海外版
我們能從取之不盡的沙漠里提純石英嗎？理論上可以，成本上不行。
雜質(zhì)越多，提純的難度越高、工序越多、需要的能源和原料也越多。如果原礦品質(zhì)太差，最后得到一噸高純石英砂的成本可能比直接用高純石英礦還高。
優(yōu)質(zhì)礦源也因此顯得格外重要。
目前全球能夠穩(wěn)定供應(yīng)頂級(jí)高純石英原料的礦床并不多，其中最著名的是美國(guó)北卡羅來(lái)納州的斯普魯斯派恩礦區(qū)，這里一度供應(yīng)了全球90%以上的半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂。
美國(guó)的斯普魯斯派恩礦區(qū)是最主要的高純石英產(chǎn)區(qū)。2024年，礦區(qū)受颶風(fēng)影響中斷生產(chǎn)，引發(fā)了人們對(duì)高純石英礦源的擔(dān)憂。丨sibelco.com
如果說河砂關(guān)系著城市的規(guī)模，那高純石英砂則關(guān)系著芯片能做到多好、芯片產(chǎn)業(yè)能做到多大。
當(dāng)人類開始造沙
好在自然形成的沙子并不是唯一的選擇。
過去幾十年里，建筑行業(yè)逐漸發(fā)展出替代品——機(jī)制砂。它是用巖石、尾礦等原料經(jīng)過破碎、篩分加工得到的人造砂。在我國(guó)，機(jī)制砂已經(jīng)成為建筑骨料的重要來(lái)源。
不同粗細(xì)的機(jī)制砂丨lmzkjq.com
另一條思路是回收。一棟樓拆除后，相當(dāng)一部分建筑垃圾可以重新變成建筑材料。
至于芯片和光伏產(chǎn)業(yè)，高純石英仍然難以被完全替代。科研人員正在尋找新礦源，也在改進(jìn)提純工藝，希望從品質(zhì)較低的石英礦中獲得更多高端產(chǎn)品。但至少目前，頂級(jí)高純石英依然屬于稀缺資源。
Guokr
大自然把石頭變成沙子，人類把沙子變成城市和科技。未來(lái)更重要的課題，或許是讓沙子在離開河流和礦山之后，還能繼續(xù)循環(huán)下去。