古老的纳米科技:大马士革刀里的碳纳米管

一群德国的科学家,在古老的大马士革刀中发现碳纳米管。这会是大马士革刀中最关键的密秘吗?

大马士革刀有着优异的性能:锋利、韧性佳、而且不易锈蚀。整把刀身外观细密交错着明暗条纹。它们曾经是欧洲十字军眼中最令人敬畏的武器之一。大马士革刀的种种特性,来自于它的原料-印度出产的乌兹钢 (wootz)。这种钢料类似中国的镔铁,材料的结构大致上是由雪明碳铁 (cementite,Fe3C) 和波来铁 (pearlite) 混合而成,分别呈现出明亮与暗沉的颜色。坚硬而又抗腐蚀的雪明碳铁与较有轫性的波来铁相互配合,使得大马士革刀同时保有锋利与强韧的特性。只可惜随着乌兹钢的产量大幅下滑,加上成本高昂,锻造大马士革刀的秘诀在十八世纪时渐渐失传了。

近代的科学家试图要找回锻造大马士革刀的秘诀,但总是遭遇失败。目前的技术可基于积层钢技术,混合雪明碳铁和波来铁锻造出与大马士革刀相似的花纹。市面上仿制的大马士革刀多是用这种技术制造的。但问题在于这种钢材的机械性质仍逊于乌兹钢,换句话说,乌兹钢并非雪明碳铁和波来铁混合的积层钢。近来许多科学家研究乌兹钢内的微量成份,发现里面还包含钨与钒等元素。这类微量元素会改变合金性质,在现代的冶金工艺中受到广泛地应用。这些发现意味着:乌兹钢内的微量成份使它与积层钢的特性大不相同。

2006 年德国德勒斯登科技大学 (TU-Dresden) 的科学家从一份大马士革刀的样品中发现新的微量成份:多层碳纳米管 (MWNTs)。在显微镜下很容易观察到乌兹钢的微米结构,但要找出隐含其中的纳米结构却得多些工夫。他们利用盐酸溶解金属成份,溶解后存在于雪明碳铁中的纳米线会剩下一些残渣。科学家们将这些残渣放到 TEM 下扫描,发现里面含有 MWNTs。他们推测:在锻造大马士革刀的过程中,一些催化元素渗入钢铁中导致碳纳米管成长,随后被雪明碳铁所包覆。大马士革刀的机械性质与众不同,碳纳米管的存在有可能是重要关键。

我们已经知道:在某些材料或是陶瓷中掺杂碳纳米管,可提升原材料的机械性能。也许类似的作用也出现在这把古老的刀中。

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