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【一等獎】千年銹色耐人尋——古代銅錫鉛合金銹蝕謎題

來(lái)源: 時(shí)間:2020-04-28

作者: 孫烈 吳世磊

中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所

  “美麗的花紋是誰(shuí)鐫刻,

  為她涂抹顏色,

  青銅的光芒閃耀著(zhù),

  剎那間將夜空刺破——”

  這段唱詞選自中國原創(chuàng )音樂(lè )劇《金沙》,一曲便帶我們跨越千年。

  要問(wèn)這“青銅的光芒”是如何誕生,它的背后又有哪些故事?

  請跟我一起回到人類(lèi)文明的起點(diǎn)——青銅時(shí)代。

  青銅——表里不一的奇珍 

  人類(lèi)何時(shí)知道金屬會(huì )生銹?應該是從認識銅就開(kāi)始了,也就是大約公元前9千年左右[1]。經(jīng)過(guò)了5~6千年的經(jīng)驗積累,從大約公元前3~4千年起,全球多個(gè)地區陸續冶煉出青銅合金。

  這種銅與錫,或者銅與錫、鉛的合金,與石材相比,兼具較理想的硬度、韌性與澆鑄性能,因此適合鍛打或鑄造成型。青銅制成的器物逐漸取代了石器,成為人類(lèi)生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎。

  以青銅冶鑄工藝為突出代表的古代金屬技術(shù),被看作是“人類(lèi)從蒙昧到文明的轉折點(diǎn)”[2]。考古學(xué)家湯姆森 (C. J. Thomsen,1788~1865)最先注意到人類(lèi)史上材料更替引發(fā)的文化演變的現象,并將這個(gè)時(shí)期命名為“青銅時(shí)代”。

  青銅的主要成分是銅,銅在同時(shí)接觸空氣和水時(shí),常溫下就會(huì )生銹。古人想讓銅不生銹,太難了。銅錫合金同樣會(huì )生銹,而且以青綠色的銹最為常見(jiàn),這一現象賦予了它一個(gè)色澤鮮明的名號——青銅。

  杜甫說(shuō)“恰有青銅三百錢(qián)”,這里的“青”只是銹色,可不是銅本來(lái)的顏色。也就是說(shuō),不論是中國國家博物館的后母戊鼎(圖1),還是希臘國家考古博物館的宙斯(或波塞冬)塑像(圖2),這些藝術(shù)品迷人的色澤,其實(shí)都來(lái)自外表的銅銹。

  

  
圖1 后母戊鼎(圖片來(lái)源:中國國家博物館官網(wǎng))
圖2 宙斯(或波塞冬)塑像(圖片來(lái)源:希臘國家考古博物館 孫烈攝)

  當然,金屬被氧化,意味著(zhù)原材料的成分、結構與性能也被改變了,因此生銹通常表現為顯著(zhù)的腐蝕效應(圖3)。古希臘人將銅銹視為作品的毀壞,就是這個(gè)原因。

  

圖3 青銅甗(yǎn)的銹蝕孔洞(圖片來(lái)源:湖南省博物館 蘇榮譽(yù)、關(guān)曉武、孫烈、吳世磊攝)

  可見(jiàn),對于“表里不一”的青銅文物來(lái)說(shuō),保留銹色與減少銹蝕都不可少,真是兩難。難在哪里呢?

  生銹的原理好像并不復雜,但是許多遺存至今的青銅器卻提醒了我們另一事實(shí)——我們迄今尚不能完全了解或控制銅錫鉛合金的氧化反應及其結果。青銅器的成分、雜質(zhì)與微觀(guān)結構多種多樣,埋藏或存放的環(huán)境復雜多變,再經(jīng)過(guò)一千年以上的反應,有時(shí)會(huì )發(fā)生罕見(jiàn)的腐蝕現象,在當今非常先進(jìn)的實(shí)驗室中也很難模擬這個(gè)過(guò)程。

  下面,我們從青銅的本來(lái)面目談起,再看幾個(gè)神奇有趣卻令人困惑的銹蝕現象。

    

  吉金——金光閃閃的青銅真容 

  青銅本身是金色的。按照能帶理論銅錫合金對可見(jiàn)光譜的黃光波段有高反射率。而青銅器表面又會(huì )得到細致的打磨加工,光線(xiàn)反射到眼中,人就會(huì )感受到燦爛的金光。

  我們今天仍可以看到距今2~3千年前的商周時(shí)期的許多舉世無(wú)雙的精美青銅器,其中很大一部分是舉行高規格禮儀活動(dòng)用的鼎(圖4)、爵(圖5)、鐘(圖6)、鐃(圖7)等禮器。這些器物在萬(wàn)眾矚目的“高光時(shí)刻”用來(lái)代表國家或貴族的身份地位,一個(gè)重要原因是它們擁有金光閃耀的外表(圖8)。

  

圖4 人面方鼎(圖片來(lái)源:《三湘四水集萃:湖南出土商、西周青銅器展》)

  

圖5 獸面紋爵(圖片來(lái)源:《三湘四水集萃:湖南出土商、西周青銅器展》)

  

圖6 曾侯乙編鐘(圖片來(lái)源:湖北省博物館官網(wǎng))

  

圖7 云紋鐃(圖片來(lái)源:《三湘四水集萃:湖南出土商、西周青銅器展》)

  

圖8 復制的甬鐘(圖片來(lái)源:中科院自然科學(xué)史研究所 關(guān)曉武攝)

  古今中外,多數人都喜愛(ài)金色。在中國古文獻中,“金”常常指的是青銅,而不是黃金。青銅也常被稱(chēng)為“吉金”,“吉”是“吉祥”,也有學(xué)者認為是“堅固”之義[3]。用吉金做禮器,自然能夠得到廣泛的接受與認可。

  在不生銹的情況下,不同的青銅器顏色會(huì )有所差異,原因在于合金的比例。如果逐步提高銅錫合金中銅的含量,由于銅的電子躍遷能低于錫,合金的電子躍遷能隨之降低,紅光波段的反射率就會(huì )提高,于是合金的顏色將由金黃色逐漸變?yōu)槊倒迳敝良冦~的赤紅色。因此,純度很高的銅又被古人稱(chēng)為“赤銅”。

  中國人兩千年前就能夠調控合金的比例,并掌握了合金成分、性能和用途之間的關(guān)系。《禮記·考工記》記載了銅錫合金“六齊(jì)”的規律,當錫占從1/6到1/2之間的6個(gè)不同比例時(shí),青銅可分別用以制作鐘鼎、斧子、戈戟等6類(lèi)不同的器物。

  一般來(lái)說(shuō),錫的含量升高,合金的硬度則會(huì )增加,延展性變差。雖然從現代合金理論和實(shí)踐來(lái)看,“六齊”的規律并不準確,但放在當時(shí)條件下,其科學(xué)性還是值得肯定的。借助現代的分析測試手段,研究者發(fā)現古代青銅的組分是比較復雜的,有銅錫合金(二元合金)、銅錫鉛合金(三元合金)。古人有意將鉛加入合金,主要是為了改善合金的澆鑄性能。還有一些含砷、鋅、銻等元素的青銅合金。三元合金、高合金青銅特別是高鉛青銅,是中國青銅器的一大特色[4]。

    

  銅銹——五花八門(mén)的腐蝕物 

  人們在博物館看到的青銅器大多是青綠色,其實(shí)這主要是銅綠的顏色。銅綠的學(xué)名是堿式碳酸銅,化學(xué)式為Cu2(OH)2CO3,由銅與空氣中的氧氣、二氧化碳和水反應生成。

  實(shí)驗室制得的純凈銅綠,是一種淺綠色的單斜系結晶纖維狀的團狀物,或深綠色的粉狀物。孔雀石的主要成分是天然銅綠(圖9),常與其它含銅礦物共生。在自然環(huán)境中,銅生銹的速度不算慢。紐約的自由女神銅像,從最初的黃褐色到通體變綠,也就用了十幾年的時(shí)間。

  

圖9 孔雀石標本(圖片來(lái)源:加拿大滑鐵盧大學(xué)地球科學(xué)博物館網(wǎng)站[5])

  銅綠的英文名不止一個(gè)。化學(xué)中常用的aerugo來(lái)自拉丁文,有被腐蝕的含義。“銅銹般的貪婪”在古羅馬詩(shī)人賀拉斯(Horac,65 BC - 8 BC)的詩(shī)中應該吟誦成“haec animos aerugo et cura peculi”——我們大致可用漢語(yǔ)中的“銅臭(xiù)”一詞來(lái)作注解。

  銅綠的另一個(gè)寫(xiě)法是Verdigris,最初指的是古希臘青銅的顏色,它原意居然是“希臘的綠色”。在中國古代,銅綠被稱(chēng)作“銅青”。青有深綠色或淺藍色的意思,比如青草、青山綠水。這個(gè)顏色區間可以用cyan表示,相當于漢語(yǔ)的藍綠色。

  很多語(yǔ)言都“混淆”了青、藍、綠的叫法,這是一個(gè)有趣的語(yǔ)言學(xué)現象。可能因為人們在感官上無(wú)法準確區分波長(cháng)為500nm左右的光。一般認為波長(cháng)577~492nm之間是綠色,而492~455nm之間則是藍色。即便現在,有人說(shuō)自由女神像是綠色的,有人覺(jué)得應是藍綠色,也有人說(shuō)是綠藍色,其實(shí)都沒(méi)錯。在顏色的日常稱(chēng)謂上,我們不能太苛求。

  銅青,是銹蝕物,但可不是廢物。它很早就被用作礦物顏料了。歐洲人用銅銹作油畫(huà)的綠色顏料,但時(shí)間一長(cháng),堿式碳酸銅會(huì )分解生成黑色的氧化銅(CuO),畫(huà)中的綠色也跟著(zhù)變成棕色了,難怪后來(lái)被藝術(shù)家們淘汰。

  中國古人對銅青卻有不少妙用,例如把銹刮下來(lái)畫(huà)眉毛,唐代人美其名曰“銅黛”。如果用它在囚徒的眼睛周邊紋顯眼的刺青,那就叫“黥(qíng)兩眼”。

  從化學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō),堿式碳酸銅不溶于冷水,卻能在熱水中分解,也能被酸溶解生成銅鹽。銅銹與人體接觸,會(huì )發(fā)生反應,刺激皮膚或粘膜,表現出弱毒性。人若誤食,由于部分銅離子能與酶的氫硫基反應,則可能發(fā)生急性或慢性中毒。古人稱(chēng)之為“銅毒”,應該是見(jiàn)識到了它的危害。

  在古人的觀(guān)念里,銹也可入藥。明代名醫李時(shí)珍認為,銅青就是銅的精華。他在《本草綱目》中寫(xiě)得很清楚:“生熟銅皆有青,即是銅之精華……銅青則是銅器上綠色者,淘洗用之。”

  西方人過(guò)去也拿銅銹做過(guò)藥[6],還想到用醋酸腐蝕銅,這比李時(shí)珍的方法更容易得到銹。現在幾乎沒(méi)有人專(zhuān)門(mén)涂抹或服用綠銹了,不過(guò)在農藥、殺菌劑和防腐劑中,它還是能派上用場(chǎng)。

  前面說(shuō)過(guò),青銅的腐蝕機理是個(gè)復雜的科學(xué)問(wèn)題,雖然在某些方面的解釋上我們已經(jīng)取得共識,但分歧也不少。籠統地說(shuō),在干燥的大氣環(huán)境中,易發(fā)生表面氧化、硫化等化學(xué)腐蝕;在水、潮濕的空氣或土壤中,易發(fā)生電化學(xué)腐蝕;在土壤和海洋環(huán)境中,存在生物腐蝕;膜電池、小孔腐蝕、晶間腐蝕和選擇性腐蝕等理論常被用來(lái)解釋其深層原因。

  迷人的青銅器色彩幾乎都來(lái)自于表面的銅銹。由于青銅本體合金成分的差異,及其所處環(huán)境的不同,銅銹的確有很多種:紅色的赤銅礦(Cu2O)、黑色的黑銅礦(CuO)和灰銅礦(Cu2S)、靛藍色的靛銅礦(CuS)、藍色的藍銅礦[2CuCO3·Cu(OH)2]和膽礬(CuSO4·5H2O)、綠色的孔雀石[CuCO3·Cu(OH)2]、灰白色的錫石(SnO2)、白色的氯化亞銅(CuCl)和碳酸鉛(PbCO3)等,確實(shí)五花八門(mén)。

  青銅器神秘莫測的色澤吸引了眾多宋代的金石學(xué)家,趙希鵠就是其中的一位。他在鑒賞、把玩那些上古的銅器之余,很認真地總結了多種銅銹顏色的“變化規律”。特別是關(guān)于千年銹,他認為:“銅器入土千年,純青如鋪翠……銅器墜水千年,則純綠色,而瑩如玉。未及千年,綠而不瑩。”顯然,他注意到千年之久的銅銹有特別之處。

  有些蝕綺麗多彩的銹蝕物,甚至被古人看作是“銅花”或“銅華”。唐代的李賀寫(xiě)下了“凄凄古血生銅花”,認為銅器上能生出紅斑綠銹之花(圖10),應是古人灑上鮮血的緣故。其實(shí),這只是詩(shī)人的想象罷了。

  

圖10 青銅耳杯(圖片來(lái)源:《齊國故城遺址博物館館藏青銅器精品》)

  真實(shí)的原因是,銅器處在空氣、土壤、水和微生物等環(huán)境中,而銅合金與其所處環(huán)境中的多種物質(zhì)發(fā)生了長(cháng)期的反應,形成了層狀或點(diǎn)狀的腐蝕現象。

  青銅銹蝕反應的產(chǎn)物究竟有多少,我們仍未搞清楚,但是這些五花八門(mén)的礦物顏料在一起,青銅器表面出現靛藍、墨綠、暗紅、黑灰、銀白等五彩斑斕的顏色,還是大體可以理解的。

 

  銹色——漆古、虎斑紋和菱形紋的面紗 

  青銅器有一個(gè)特殊種類(lèi)——銅鏡。其亦可稱(chēng)為青鏡、銅片、銅照、銅鑒等,可實(shí)用,也可賞玩。用青銅做鏡子,容易拋光得到鏡面。“鑄鏡需青銅,青銅易磨拭”這句唐詩(shī)點(diǎn)明了銅鏡的材質(zhì)與工藝特點(diǎn)。

  經(jīng)過(guò)長(cháng)期埋藏,等到銅鏡出土的時(shí)候,有的表面光亮如漆,晶瑩如玉,被稱(chēng)為漆古(圖11)。其中有的漆黑發(fā)亮,是黑漆古;有的綠如碧玉,是綠漆古;還有的顏色斑斕,叫做花漆古,都深受收藏家和愛(ài)好者的追捧。

  

圖11 神人神獸面像鏡(圖片來(lái)源:上海博物館官網(wǎng))

  漆古是黑還是綠,取決于礦化層的顏色、透明度,以及腐蝕變質(zhì)帶的成分和形態(tài)。其實(shí),漆古并非銅鏡所獨有,在一些高錫含量的兵器和工具的表面也有發(fā)現。

  漆古到底是人工所為,還是自然生成?多數學(xué)者傾向于自然環(huán)境中腐蝕形成的解釋。檢測表明,銅鏡的表面已被腐蝕得完全礦化層。銅鏡一般含錫量較高,在長(cháng)期埋藏中,表面富集的錫在含氧地表滲透水和腐植酸膠體溶液作用下被氧化,然后經(jīng)歷了水解、凝膠析出及脫水的繁復過(guò)程,最終形成了非晶態(tài)二氧化錫或納米級微晶[7]。

  也就是說(shuō),相當于大自然用千百年的時(shí)間,給銅鏡做了復雜而微妙的表面處理。銅鏡表面加工細致,各相成分均勻,光線(xiàn)經(jīng)過(guò)微晶的反射與散射,最終呈現出半透光的視覺(jué)效果。目前,實(shí)驗室還不能制備出與文物表面一致的漆古,它的形成機理尚不明確。

  與漆古相似,虎斑紋也是一種顏色奇特的銹層。這是一種主要發(fā)現于古代兵器表面的白色、灰色或黑色的斑狀規則紋飾,不可能完全由自然腐蝕形成(圖12)。虎斑紋青銅器的本體成分多為高錫的銅錫合金,主要物相有銅-錫金屬間化合物、銅錫合金相和二氧化錫。

  

圖12 楚公戈(圖片來(lái)源:湖南省博物館 蘇榮譽(yù)攝)

  我們知道,錫是一種銀白色的金屬,而氧化錫(SnO2)多是白色或淡灰色。推想一下,如果青銅器表面被人為附著(zhù)了錫或錫的氧化物,并“繪制”為規則紋飾,那么整體就會(huì )呈現出黃白相間的裝飾效果。黃色是青銅本體本身的金黃色,白色源于錫或氧化錫,交相輝映,也會(huì )很漂亮。有研究者做了模擬實(shí)驗,采用人工熱鍍錫方法,得到了近似于文物表面的效果。

  虎斑紋青銅器被埋藏之后,灰白色的SnO2層較為穩定,而高錫青銅的區域會(huì )在土壤埋藏環(huán)境中腐蝕生成類(lèi)似“漆古”的銹層,顏色也就轉變?yōu)楹谏?/p>

  不久前,我們用X射線(xiàn)熒光光譜法檢測了一件西周時(shí)期的虎紋斑戈,發(fā)現黑色區域的銅含量明顯高于綠色銅銹區域。看來(lái),虎斑紋與“黑漆古”有著(zhù)異曲同工之妙。

  如果說(shuō)漆古與虎斑紋的本質(zhì)是銹,那么聽(tīng)說(shuō)有些文物不生銹又是怎么回事呢?舉一個(gè)最典型的例子——被譽(yù)為“天下第一劍”的越王勾踐劍,它出土之時(shí)保存完好,劍刃明亮、鋒利,金黃的青銅本色仍一目了然(圖13)。實(shí)際上它的表面仍被氧化了,只是銹層很薄而已。不過(guò),一件在地下埋藏了兩千多年的金屬器,重見(jiàn)天日時(shí)光亮如新,這著(zhù)實(shí)讓世人贊嘆不已。

  

圖13 越王勾踐劍(圖片來(lái)源:湖北省博物館官網(wǎng))

  更引人注目的是,劍身滿(mǎn)飾非常規則的黑色菱形紋。為了解開(kāi)這一千古之謎,研究人員于1977年借助靜電加速器,利用質(zhì)子X(jué)射線(xiàn)熒光非真空分析技術(shù),檢測了該劍不同部位的元素及其含量,推測菱形紋可能是經(jīng)硫化處理形成的。但是,這種解釋的說(shuō)服力仍很有限。

  

圖14 吳王夫差矛(圖片來(lái)源:湖北省博物館官網(wǎng))

  有意思的是,越王與吳王這兩個(gè)死對頭,居然擁有技術(shù)風(fēng)格非常相近的兵器。1983年,一具制作精良的吳王矛被發(fā)掘出土,表面同樣都裝飾著(zhù)精美的菱形紋(圖14)。這究竟是怎么形成的?大家對此看法不一。

  有西方學(xué)者推測菱形紋就是在埋藏過(guò)程中形成的,而不少研究者堅持認為是人工腐蝕的結果。所謂人工腐蝕,就是有意而為之的主動(dòng)腐蝕處理。有一種可能的方案是,先用天然植物酸或天然酸性鹽腐蝕兵器表面,形成花紋,然后上釉封閉,作為保護層。

  后來(lái),研究者利用一小段菱形紋飾劍殘片,想了很多辦法做了各種檢測:金相、X射線(xiàn)衍射、電子探針-波譜和掃描電子顯微鏡-能譜-電子背散射衍射等多種技術(shù)手段;還做了大量模擬實(shí)驗:鑄造成型法、表面激冷法、表層合金化工藝、擦滲工藝、熱浸滲工藝、金屬膏劑圖層工藝等,這些都是古代工匠可能用的手段。

  由此可知,此類(lèi)紋飾的形成原因與“漆古”有相似之處,一些區域的表層為細晶結構,有較好的耐蝕性,保護了細晶區之下的銅劍本體不受腐蝕,而另一些區域氧化腐蝕嚴重,成為黑色的菱形線(xiàn)條。

  菱形紋與自然形成的“漆古”不同的是,耐腐蝕的細晶層是人為形成的。古代高明的匠人可能先用含高錫合金粉末的膏劑涂抹兵器表面,接著(zhù)刻劃紋飾,然后入爐加熱,最后做拋光處理。

  兩千年前匠師的本領(lǐng)也許真有這么強,或許古銹的神秘面紗還遠未揭開(kāi)。

    

  腐蝕or不腐蝕——是個(gè)問(wèn)題 

  腐蝕對青銅器文物來(lái)說(shuō),不能籠統地說(shuō)好還是壞。

  文物上有些腐蝕被稱(chēng)為“青銅病”,輕則使腐蝕區域不斷擴展,重則形成穿孔甚至毀掉整件器物(圖15),對青銅文物器構成極大的危害。這種病由一種綠色粉狀的銹蝕產(chǎn)物——堿式氯化銅[Cu2(OH)3Cl] 引起,潮濕的環(huán)境、溶解的氯離子以及氧化性氣氛是主要病因。

  

圖15 患有青銅病的環(huán)(圖片來(lái)源:《藝術(shù)品中的銅和青銅:腐蝕產(chǎn)物、顏料、保護》)

  粉狀銹更易吸潮,導致疾患擴大,讓它表現出一定的“傳染性”。治療青銅病的方法大致有四種:物理清除或轉化、化學(xué)清除或轉化、緩蝕劑保護與控制存放環(huán)境。

  另有一些腐蝕,在青銅器上形成了致密的屏障,能夠降低腐蝕速率,相當于給文物穿上了防護衣。漆古就是如此。它不光是好看,還能保護內部的金屬本體免遭進(jìn)一步侵蝕。因此,擁有漆古層的文物才能在地下埋藏上千年而不腐。虎斑紋、菱形紋的形成機理也類(lèi)似,同樣能夠起到抑制腐蝕、保護金屬本體的作用。

  至于越王勾踐劍幾乎不銹的解釋?zhuān)腥苏J為,此劍受漆木劍鞘保護,墓室中多中性積水而含氧甚少,所處環(huán)境與外界基本隔絕,這或許才是它歷經(jīng)兩千余年而“不銹”的真正原因。

  人為添加特殊的腐蝕產(chǎn)物,同樣可以起到延緩腐蝕或仿舊的效果。方法也有不少,比如用化學(xué)試劑腐蝕器物表面,或將礦物顏料在表面燒熔、凝固,也可用電鍍法鍍上一層銀灰色或黑色覆蓋物。

  “做銹”往往是文物販子造假作坊里的最高機密,他們甚至拿摻雜化學(xué)試劑的金屬粉末加上動(dòng)物的大小便或化肥的土壤,涂抹到仿品表面,埋到土里一段時(shí)間再“出土”。這些手段都只能搞個(gè)似是而非的結果,與經(jīng)數千年歲月緩慢形成的銹層有天壤之別。這也正是千年古銹的獨特之處。

  應該注意的是,錫和鉛在青銅文物的銹蝕與保護中扮演了重要作用。可惜,我們仍然不知道其準確的原理與細致的過(guò)程。“漆古”、虎斑紋和菱形紋都跟錫元素有著(zhù)直接關(guān)系,鉛元素的影響則更加神秘。也許有人會(huì )問(wèn),古代的這些東西,除了放在博物館或拍賣(mài)市場(chǎng),沒(méi)有多大的用處,值得我們下功夫去研究嗎?

  答案是肯定的。有材料學(xué)家對鉛電纜埋藏在土壤環(huán)境中30年的情況做過(guò)研究,希望搞清楚鉛及其合金的耐腐蝕性能與腐蝕產(chǎn)物。但對一個(gè)普通科研人員來(lái)說(shuō),持續數十年做一個(gè)實(shí)驗,也許太久了。

  何不直接用古代的材料呢?前幾年,一艘幾百年前的沉船被發(fā)現,引起了探測暗物質(zhì)的粒子物理實(shí)驗室的極大興趣,船上的鉛錠成了科學(xué)家過(guò)濾背景輻射的絕佳材料[8]。鉛-210的半衰期只有22年多一點(diǎn),幾百年后基本都衰變?yōu)榉€定的鉛-206了。再加上海洋隔絕了宇宙線(xiàn)引起的輻射污染,毫不起眼的古代鉛錠竟然成為現代科研青睞的低輻射材料。

  背后的問(wèn)題是,這些泡在海水中的鉛是如何抵抗腐蝕的?如果將它們埋藏更久,比如上千年又會(huì )是什么結果呢?

  最近,我們檢測了一批距今約3千年的西周早期墓葬出土的金屬薄片。一開(kāi)始,大家以為這些厚度僅1mm左右的殘片應該早就剩下銹渣土了(圖16)。然而,測試的結果顯示它們是純錫或不同比例的錫鉛合金鑄造而成的,真令人大吃一驚。

  

圖16 鉛錫合金文物殘片(圖片來(lái)源:中科院自然科學(xué)史研究所綜合實(shí)驗室 張衍攝)

  用金相顯微鏡和電子顯微鏡觀(guān)察薄片的截面,發(fā)現銹蝕層極薄,只有20~50μm,絕大部分金屬未被腐蝕(圖17)。去除表面灰黑色的氧化層后,銀白色的金屬光澤又見(jiàn)天日(圖18)。它們纖薄,展性良好,莫氏硬度在1-3之間,材料性能基本如初,真是歷久彌新。歷經(jīng)數千年而不朽的現象,真值得好好研究一番。

  

圖17 合金殘片截面SEM背散射圖像(邊緣深色區為銹層)(圖片來(lái)源:中科院自然科學(xué)史研究所綜合實(shí)驗室)

  

圖18 打磨表面后的錫鉛合金殘片(圖片來(lái)源:中科院自然科學(xué)史研究所綜合實(shí)驗室 吳世磊攝)
 

  千年銹色耐人尋,千年謎題待人解 

  青銅器擁有古雅的色調和精美的造型,以高超的技藝制成,這些是古人就知道的。在今天,我們更想破解隱含其中的科學(xué)之謎。

  如何從閃亮的吉金過(guò)渡到斑斕的青銅?自然形成的漆古和人工制成的菱形紋、虎斑紋有何聯(lián)系?“青銅病”到底如何防治?千年的薄片為何不朽?這些問(wèn)題的答案,不僅能夠滿(mǎn)足我們追求真知的好奇心,同樣也具有對現實(shí)的借鑒意義。

  青銅腐蝕,其成分與形態(tài)逐漸從有序變?yōu)闊o(wú)序,這在大自然中是一個(gè)熵增加的過(guò)程。然而,五花八門(mén)的銹蝕現象說(shuō)明,青銅文物通過(guò)不斷地與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量,能夠產(chǎn)生自組織現象,形成新的、相對穩定的有序結構。耗散結構的視角,讓我們對青銅合金的腐蝕現象有了更多的理解,也有了更多的期待。

 

參考文獻

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  [2]華覺(jué)明. 中國古代金屬技術(shù)——銅和鐵造就的文明[M]. 鄭州:大象出版社,1999:2.

  [3]劉碩. “吉金”考[M]//杜澤遜. 國學(xué)季刊第二期. 濟南:山東人民出版社,2016:94-100.

  [4]蘇榮譽(yù),華覺(jué)明,李克敏,等. 中國上古金屬技術(shù)[M]. 濟南:山東科學(xué)技術(shù)出版社,1995:274.

  [5]https://uwaterloo.ca/earth-sciences-museum/supporters/donated-collections/reimer-collection

  [6]https://www.copper.org/publications/newsletters/innovations/2000/06/medicine-chest.html

  [7]孫淑云. “漆古”是自然形成?還是人工所為?[M]//孫淑云. 攻金集——孫淑云冶金技術(shù)史論文選. 北京:科學(xué)出版社,2015:319-334.

  [8]Nosengo, N. (2010). Roman ingots to shield particle detector. Nature, April, 24.