用“鐵”書寫的傳奇

蘇更林

鐵這種古老的金屬無論從其生產(chǎn)的數(shù)量到應(yīng)用的規(guī)模，都堪稱各種金屬材料之首，難怪被人們譽為“金屬之王”。有人認為，鋼鐵的輝煌已經(jīng)過去。事實并非如此，因為鐵元素的神秘特質(zhì)為其提供了廣闊的應(yīng)用前景。讓我們一起走進鐵的世界，從地磁產(chǎn)生、生命色素、鋼鐵工程、鋼鐵文化以及尖端科技等方面一睹鐵的風采。

比利時布魯塞爾市海瑟爾公園內(nèi)的“鐵原子塔”，其設(shè)計構(gòu)思是將金屬鐵原子模型放大1650億倍，9顆直徑18米的圓球代表9個鐵原子

鐵與磁的“緣分”

我國是世界上最早認識磁現(xiàn)象的國家之一，早在公元前4世紀左右成書的《管子》中，就有了“上有慈石者，其下有銅金”的記載，這是我國關(guān)于磁現(xiàn)象的最早的文字記載。在東漢以前的古籍中，“磁”一直是寫成“慈”的。到了公元前3世紀，在《呂氏春秋》中已經(jīng)有了“慈石召鐵，或引之也”的記載。這說明我國古代勞動人民在很早以前就知道用磁石來找鐵礦了。

由于認識到了磁現(xiàn)象，所以古人在許多場合應(yīng)用了磁現(xiàn)象的獨特性質(zhì)。比如中醫(yī)的“五石散”，磁石就是其中的重要成分。另外還有傳說，秦始皇在建造阿房宮時就使用了一個磁石門，只要有人帶著鐵器進宮就會被磁石門牢牢地吸住，因此可以防止刺客進入宮中。

人類賴以生存的地球就是一個巨大的磁體，穩(wěn)定的地磁場對地球生物是一個“保護傘”，阻擋了來自太空的宇宙射線的侵襲。在很早以前人們就知道利用地磁了。指南針是我國古代勞動人民的一項偉大的科技發(fā)明，也是地磁利用史上的最光輝成就。

窺視生命的“天書”

動物的血液為什么多是紅色的？原來這是因為血液中含有血紅素的緣故，而血紅素這種化合物的核心元素就是鐵，這是大自然義無反顧的選擇。

鐵是人體內(nèi)極其重要的微量元素之一，一個正常的成年人全身含有3克多鐵，人體缺鐵會引起貧血癥。人體血液中的血紅蛋白是血紅素與蛋白質(zhì)相結(jié)合的產(chǎn)物，其主要功能就是運載氧氣。據(jù)實驗，1克血紅蛋白在0℃和1個大氣壓條件下可以吸收1.35升氧氣，從而結(jié)合成為氧合血紅蛋白，由血液從肺部輸送到機體的各個組織中，再分解為血紅蛋白和氧氣，以維持機體組織的新陳代謝。

有趣的是，自然界生命的色素具有內(nèi)在的統(tǒng)一性。比如存在于血液中的血紅素，與存在于植物葉片葉綠體中的葉綠素在結(jié)構(gòu)上具有驚人的相似性。研究認為，血紅素和葉綠素竟奇跡般地同屬于吡咯色素這個大家族，構(gòu)成了吡咯色素的兩大天然類別。

它們在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要在于環(huán)狀結(jié)構(gòu)的側(cè)基和結(jié)合的金屬不同，血紅素是鐵卟啉化合物，和蛋白質(zhì)相結(jié)合成為血紅蛋白;葉綠素是鎂卟啉化合物，和蛋白質(zhì)相結(jié)合成為葉綠體。這種相似性揭示了自然界動植物在淵源上具有的某些聯(lián)系，并可能在生命色素中隱藏有許多不為人知的秘密。

金屬之王的“豐碑”

鐵元素在地殼中的含量極其豐富，大約為5.5%，為僅次于鋁的金屬元素。但是，在自然界卻很難找到游離的鐵（純鐵）。這是因為自然界的鐵一般是以氧化物或硫化物的形式存在的，如磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦等。

納米比亞的戈巴隕鐵重約60噸，是目前世界上已知最大的鐵隕石

人類在5000多年前就開始用鐵了，但那時人類還沒有掌握鐵的冶煉技術(shù)。根據(jù)考古學家的考證，人類最早使用的鐵取自太空鐵隕石。鐵隕石的主要成分為鐵，又被稱為“隕鐵”，同時含有鈷和鎳。在古埃及人看來，隕石是上帝賜予人類的“天石”，將其視為珍寶。20世紀70年代，在河北省藁城縣出土了一把商代的青銅鉞，年代大約在公元前14世紀左右。青銅鉞上有鐵質(zhì)刀刃，出土時已全部銹成氧化鐵，并含有2.5%的氧化鎳和0.24%的氧化鈷?？茖W家認為，這把青銅鉞上的鐵質(zhì)刀刃使用的便是隕鐵。

盡管地殼中含有極其豐富的鐵元素，但由于鐵的熔點（1539℃）很高，明顯高于銅的熔點（1083℃），還原鐵要比還原銅難得多，因此銅器時代先于鐵器時代。大約在公元前1500年左右，冶鐵業(yè)開始在古埃及、兩河流域等地興起。我國的冶鐵業(yè)大約興起于西周時期，而開始使用鐵制工具則是在春秋時期。到了明朝，我國鐵的年產(chǎn)量高達4.5萬噸，位居世界第一。由于鐵制品非常堅硬，取代了銅來作為制造兵器和工具的主要材料。

鐵和鋼也是兩個不同的概念，主要區(qū)別在碳的含量上。一般把含碳量小于0.2%的鐵合金叫純鐵，把含碳量大于2.0%的鐵合金叫生鐵，而把含碳量介于0.2%～2.0%的鐵合金叫鋼。它們在性能方面也存在顯著的差別，如生鐵性脆而硬，沒有韌性，不能鍛造，而能鑄造;而鋼性韌而硬，韌性很好，適于鍛鑄軋等加工。鋼鐵作為人類社會生產(chǎn)和生活的重要物質(zhì)資源，始終是國家經(jīng)濟實力和科技水平的重要標志。目前，我國鋼產(chǎn)量已重回世界首位。

與時俱進的“鐵文化”

在世界工業(yè)革命的背景下，應(yīng)運而生的“機器文明”就是以鋼鐵的應(yīng)用為代表的，不僅極大地提升了勞動效率，而且也讓人們更多地享受到了鋼鐵文明的恩惠。用7000噸鋼鐵建成的埃菲爾鐵塔，一改幾千年來的石構(gòu)建筑傳統(tǒng)，促成了現(xiàn)代建筑的誕生。埃菲爾鐵塔不僅昭示了當時鋼鐵工業(yè)的技術(shù)成果，而且也反映了建筑結(jié)構(gòu)科學和施工技術(shù)發(fā)展的水平。

埃菲爾鐵塔屹立在巴黎市中心的塞納河畔，高達320多米，相當于100層樓高，是當時世界上第一座鋼鐵結(jié)構(gòu)的高塔。埃菲爾鐵塔采用交錯式結(jié)構(gòu)，用4條帶有混凝土水泥臺基的鐵柱支撐著高聳入云的塔身，并使用了1500多根巨型預制梁架、150萬顆鉚釘和12000個鋼鐵鑄件。埃菲爾鐵塔向世人展示了鋼結(jié)構(gòu)的巨大建筑能力，無疑是世界建筑史上的一個里程碑。

“鳥巢”是2008年北京奧運會主體育場，它采用了世界上獨一無二的鋼結(jié)構(gòu)工程，使用的是為其量身定制的國產(chǎn)Q460高強鋼板。那么，什么是Q460鋼呢？原來，Q460鋼是一種低合金高強度鋼。其中，Q代表鋼材的強度，460代表460兆帕。Q460的含義是鋼材受力強度達到460兆帕時才會發(fā)生塑性變形，這個強度要比一般的鋼材大。

“鳥巢”用獨特的鋼鐵結(jié)構(gòu)傳達了“親近自然”的時代理念，從而把“鐵文化”升華到了一個嶄新的高度。“鳥巢”不僅是一座獨特的具有歷史意義的標志性建筑，而且也為21世紀的世界建筑發(fā)展提供了一個歷史見證。

超導走進“鐵時代”

科學家把超導體稱為當代科學的“明珠”，因此吸引了世界頂級科學家為之不懈努力。我國科學家在鐵基超導領(lǐng)域取得了重大突破，為超導材料的廣泛應(yīng)用開辟了廣闊前景，標志著超導技術(shù)進入了“鐵時代”。

超導性是物質(zhì)處于某種特殊狀態(tài)下的導電行為，即物質(zhì)在某一溫度下電子在輸運過程中不存在任何電阻，這個溫度就被稱為是“轉(zhuǎn)變溫度”。 早在1911年荷蘭物理學家就在實驗室里首次發(fā)現(xiàn)汞在4.2K（約合268.8℃）下出現(xiàn)了超導性能，并把這種導體的“零電阻效應(yīng)”稱為超導態(tài)。此后，科學家們一直在致力于探索高臨界溫度的超導材料。但由于科學家們始終把目光鎖定在金屬材料上，因而一直沒有突破。直到1930年，科學家發(fā)現(xiàn)了一種化合物——氧化鋁在15K的溫度下能產(chǎn)生超導性，科學家的目光從此豁然開朗。

此后，科學家相繼發(fā)現(xiàn)了一系列具有超導性的化合物。1986年，瑞士物理學家首先發(fā)現(xiàn)了銅氧化物的超導性，并因此獲得了諾貝爾物理學獎。不過，20年來超導體一直局限在銅基材料上。由于銅基材料稀缺昂貴，制造低溫條件難度大，因此超導技術(shù)難于被推廣應(yīng)用。

2006年，日本科學家發(fā)現(xiàn)了鐵基材料在26K溫度下的超導性，這一發(fā)現(xiàn)讓全世界的科學家為之振奮。然而，高溫超導材料的形成機理一直是國際公認的難題。

我國科學家通過采用脈沖強磁場等極端實驗條件，極大地延伸了鐵基超導材料的溫度—磁場相圖的研究范圍，并發(fā)現(xiàn)了一個令人驚異的現(xiàn)象，即鐵基超導材料具有“各向同性”的特征，這是首次在二維層狀的超導體中發(fā)現(xiàn)了超導態(tài)的各向同性，為揭示鐵基超導材料的形成機理提供了重要的物理信息。鐵基超導的發(fā)現(xiàn)揭示了高溫超導存在于其他更多材料的可能性，因而為未來的超導探索帶來了新的希望。

鐵基超導體作為繼銅基超導體之后的第二大高溫超導家族，具備更有潛力的應(yīng)用價值。此后，新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導體系不斷被發(fā)現(xiàn)，如鑭-鐵-砷-氧、鋇-鐵-砷、鋰-鐵-砷、鐵-硒等，這些材料幾乎在所有的原子位置都可以進行不同的摻雜而獲得超導電性。我國科學家發(fā)現(xiàn)的鐵硒類新型高溫超導材料，其超導轉(zhuǎn)變溫度高達40K以上。有科學家預測，鐵基超導家族是目前發(fā)現(xiàn)的最龐大的超導家族，其成員數(shù)目粗略估計有3000多種。

【責任編輯】龐 ?云