瘋狂的金屬

施晶晶

看到一排生銹的欄桿，普通人會嫌棄而遠(yuǎn)離，但王長罡會走近去看看，它的銹跡是黑的還是黃的。這是作為中國科學(xué)院金屬研究所、腐蝕科學(xué)研究員的生活的樂趣。

生銹是金屬腐蝕常見的樣子，但王長罡知道，就像世界上沒有兩片完全相同的樹葉，世界上也沒有完全相同的銹跡。它們都是五花八門的。

放到掃描電鏡下來看，銹跡能開出不同樣式的“花花草草”，有些長得像礦石，有人會以此作畫，那是肉眼看不見的奇異景觀。

15年來，王長罡就在研究這些銹跡，更準(zhǔn)確地說，他研究的是：金屬是怎樣腐蝕的？我們怎么辦？

很少有人這么問問題，也很少有人知道“腐蝕”這樣一門學(xué)科，但它很重要。

橋梁支撐軸承上的一個銹蝕，就曾在美國引發(fā)吊橋倒塌事故，致46人身亡；2013年，青島一處輸油管道與排水暗渠交匯處，管道因腐蝕破裂，原油泄漏引發(fā)爆炸，有62人罹難。

像王長罡這樣的科研工作者，就是為防治腐蝕、扼殺這些風(fēng)險而存在的。

解決問題很重要，研究的過程其實(shí)也很有趣。

它的有趣之處在于，工作日常里，王長罡真正要面對的，不是一個肉眼可見的銹斑，而是它內(nèi)部的微觀世界：顯微鏡下那些細(xì)小的粒子、隱秘卻又勢不可擋的能量轉(zhuǎn)換。

透過顯微鏡，他是自然的旁觀者，見證著一個沒有生命的物質(zhì)，怎樣“有生命”地運(yùn)動和變化著，以及金屬如何像人的衰老一樣，走向必然腐蝕的終局，捍衛(wèi)著自然法則的神奇和莊嚴(yán)。

面對一個锃亮的金屬水龍頭，王長罡會腦補(bǔ)出它的前世和結(jié)局。

它原是一塊紅褐色的赤鐵礦，一旦被人類開采出來，就開始了它逆天改命的新旅程。

它在生產(chǎn)線上過五關(guān)斬六將，經(jīng)冶煉、澆鑄、成型，人類費(fèi)上九牛二虎之力，最終把它變成了水龍頭的樣子。

但成為水龍頭的時間，只是赤鐵礦漫長人生的一個小片段，一段不過幾萬小時的短暫服役期。其實(shí)，從它為人類誕生的那一刻開始，它就勢不可擋地向著它原來的樣子變回去。

那股勢不可擋的力量，就是腐蝕—水龍頭的宿命。

研究了15年的王長罡知道，腐蝕不只是鐵的終局，它也寫在所有金屬的命簿里，腐蝕之后的氧化狀態(tài)，才是它們能夠永久存在的穩(wěn)定狀態(tài)。

也許你會問，那常見的不銹鋼會腐蝕嗎？黃金會不會呢？

也沒有例外。會的。

“金屬是晶體，在顯微鏡下放大來看，它的結(jié)構(gòu)是一個個小房間像蜂窩一樣挨在一起，蜂窩交界的地方，往往是薄弱的，正是不銹鋼的弱點(diǎn)?！蓖蹰L罡說。

當(dāng)這一交界處受到腐蝕，肉眼上看，不銹鋼還是光亮如新，看不出被破壞的痕跡，但它很容易就斷了；在顯微鏡下，這類腐蝕可能是一道裂紋，就像樹干上被斧子鑿出了一道疤。

至于黃金白銀，出土的金銀器文物里，它們黯然失色的樣子就是腐蝕的痕跡，除了土壤里的酸和堿毀了它們的容貌，一個同樣重要的原因是，金銀有雜質(zhì)，冶煉做不到100%的純度。

盡管自然條件下，金子高冷不活潑，極難被腐蝕，熬過幾十百代的人類是綽綽有余的，不影響它的貴金屬價值，但要是碰上了強(qiáng)酸“王水”，金大王也得認(rèn)栽。

“道高一尺，魔高一丈，腐蝕是無處不在的?！蓖蹰L罡說。腐蝕是自然的、永恒的，而僅憑人類意志追求永恒，是錯誤、不現(xiàn)實(shí)的想法。

大多數(shù)人是嫌棄甚至害怕腐蝕的，也因此忽略了當(dāng)中這些隱藏的自然奧秘，但王長罡能夠抓住它、讀懂它。

我們最熟悉的金屬腐蝕是生銹，即便它沒有生命和意識，也能“說話”。

就像大樹年輪的圈數(shù)標(biāo)注著它的樹齡一樣，不同顏色的銹跡、不同的周圍環(huán)境，也指向不同的信息。

比如，不是每個金屬腐蝕之后都會生銹，即便銹了也不都是一層黃色的痕跡，如果看見黃色的銹跡，首先可以判斷它是鋼材四大家族當(dāng)中的碳鋼。

如果這排帶著黃色銹跡的欄桿離海近，就很正常，那是海洋大氣里的氯離子在作怪；如果是在內(nèi)陸地區(qū)，那就要推測周圍是不是有化工廠排放不合規(guī)，污染了空氣；在沒有污染的大氣里，銹跡的顏色更可能是紅褐色的。

這讓王長罡的工作看起來有點(diǎn)像偵探。

“生銹其實(shí)不一定是壞東西?！蓖蹰L罡說。

有些銹跡像地上的落葉堆一樣疏松，氧氣、氯離子就很容易鉆進(jìn)這個迷宮，久久逗留，腐蝕也就更快；可有些銹跡像皮膚一樣緊致和穩(wěn)定，反倒給剩下的鐵欄桿穿上一層保護(hù)膜，腐蝕就慢了—這是丟車保帥、要里子不要面子的做法。

不以人的意志為轉(zhuǎn)移，這是腐蝕的奇妙世界。

一個疲勞腐蝕的金屬螺絲，可能就是一場空難的源頭，于是飛機(jī)的每一次起落，機(jī)務(wù)都要里里外外仔細(xì)檢修，才能保證航班持續(xù)安穩(wěn)。

我們住的高樓，里頭的鋼筋受氧化腐蝕，體積一天天膨脹，長年累月，附著其上的混凝土也會開脹破裂，因此，房屋需要維護(hù)、翻新、重建，才談得上“安居”。

無論人類社會還是自然世界，穩(wěn)定都極其重要。

對金屬也一樣，而腐蝕正好給了它穩(wěn)定—它腐蝕的過程，也是它走向穩(wěn)定的旅程。

因此，與其說腐蝕是金屬的宿命，不如說，穩(wěn)定才是它的終極追求。

穩(wěn)定的目標(biāo)之下，金屬腐蝕遵循著自然規(guī)律，發(fā)生了許多奇妙、復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

從紅褐色的赤鐵礦變成一個水龍頭，微觀世界里，一個質(zhì)的飛躍在于，赤鐵礦里的氧原子和其他雜質(zhì)被擠了出來，純凈的鐵浴火重生。

但氧原子不甘心就這么被甩了，它時刻琢磨著回到鐵當(dāng)中去，自然界里的其他元素也會看上鐵，和它結(jié)合，把單身的鐵重新變成一塊充滿雜質(zhì)的鐵礦石—腐蝕就這樣開始了。

夏日雨后、清晨白露未晞時，水汽就是腐蝕發(fā)生的溫床。

這時候，活潑的氧氣就奔向一切含鐵的設(shè)施，它很容易就能搶走鐵的電子，各自帶上正負(fù)不同的電荷。

很快，一只無形的手伸了出來，氧被拽進(jìn)了鐵，成了它的一部分，結(jié)合為氧化物，腐蝕就這樣完成了。

那只無形的手，之所以最終把氧推進(jìn)了鐵的懷抱，是因?yàn)檠鯇ν庾龉Φ哪芰勘辱F的更高，而“能量高的會往能量更低的趨勢發(fā)展和變化”。

能量從高向低轉(zhuǎn)變，意味著什么呢？

“能量越低，意味著更穩(wěn)定?！蓖蹰L罡說，這是化學(xué)界也是自然界的守則，它和水往低處流一樣自然，就像山腳比山頂更安全一樣。

同樣的道理，被人類冶煉加工的金屬，之所以不顧人類的挽留意愿、頭也不回地接受腐蝕的命運(yùn)，也是因?yàn)檠趸臓顟B(tài)，比它單獨(dú)存在的狀態(tài)更穩(wěn)定。

原來，人類發(fā)明技術(shù)、改造自然，終于把山腳的水運(yùn)到了山腰上，把赤鐵礦煉成了我們需要的堅(jiān)硬鋼鐵和工具，我們深信這是文明之光，終究也只是暫時的、不穩(wěn)定的。

無論是腐蝕所遵循的自然規(guī)律，還是腐蝕所釀事故的慘痛后果，給我們的啟示是相同的：自然規(guī)律，是需要敬畏的，逆轉(zhuǎn)它，是有代價的、不穩(wěn)定的。

金屬真正穩(wěn)定漫長的時光，就是它腐蝕的樣子，做一塊安安靜靜、無人問津的礦石。

你見過蛀牙嗎？

別被它表面上的一個不起眼的小黑點(diǎn)迷惑了，拿牙鉆往里鉆，其實(shí)蟲牙里頭已經(jīng)蛀成了一個小穴，很深的。細(xì)菌鉆進(jìn)這個小黑點(diǎn)，就在里面悄悄搞破壞。

和人一樣，金屬也會蛀牙，只不過，在金屬身上，這個腐蝕現(xiàn)象叫“點(diǎn)蝕”。

有一回，王長罡去給三峽水輪機(jī)看病，就遇到了點(diǎn)蝕。

水輪機(jī)是三峽重要的發(fā)電設(shè)備機(jī)組，千家萬戶的燈就是從這里開始亮的。水輪機(jī)很大，直徑有20多米，主要材料是不銹鋼。

當(dāng)時，他用顯微鏡，在水輪機(jī)葉片上發(fā)現(xiàn)了好些小孔洞，這就是“點(diǎn)蝕”。和人類蛀牙上的蟲眼一樣，這些孔洞就是被重點(diǎn)圍攻的缺陷，里頭的腐蝕程度比表面更嚴(yán)重。

他們把材料拿到實(shí)驗(yàn)室去分析和模擬，才發(fā)現(xiàn)它的不銹鋼表面的鉻含量不夠高、分布也不均勻，很容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕，再加上三峽水流從高處落下沖擊，葉片開裂的風(fēng)險就很高。

麻煩的不只有這些。

王長罡又發(fā)現(xiàn)，孔洞邊緣還有類似火焰灼燒過的藍(lán)紫色痕跡，那是名叫“空蝕”留下的痕跡，也是腐蝕的一類。

空蝕是這樣產(chǎn)生的：當(dāng)水流從百米落差處落下，沖擊水輪機(jī)葉片，砸在這些點(diǎn)蝕孔洞上，水流會突然改變方向，同時產(chǎn)生許多真空的氣泡，氣泡破裂放出強(qiáng)大能量，就往葉片上烙下灼燒的痕跡，也加劇了對水輪機(jī)葉片的腐蝕。

點(diǎn)蝕、水流沖擊、空蝕的三重攻勢下，服役的水輪機(jī)很不容易?！叭绻粋€葉片（腐蝕）掉了飛出去，到處撞擊整個機(jī)組，是非常大的事故?！币虼耍O(shè)備檢修以及和王長罡一樣的“金屬醫(yī)生”，就顯得格外重要。

和人一樣，金屬有缺陷、會疲勞，也會生病，腐蝕是一大病因。

在科研中，王長罡的一部分工作的確和醫(yī)生很像，只是他診治的對象是一個個金屬疙瘩—它小到工業(yè)企業(yè)設(shè)備，大到三峽水輪機(jī)葉片、核潛艇部件—但他給金屬看病的手段，和人類醫(yī)生看病有相通的地方。

“醫(yī)生看病往往問有什么癥狀，中醫(yī)還常常會問生活習(xí)慣，我們都問?！蓖蹰L罡說。

生活習(xí)慣，就是它的服役環(huán)境，比如是不是過度加班了，還是太長時間沒用了。病癥自然是看金屬部件運(yùn)行有什么異常，進(jìn)而給這些金屬疙瘩開一系列檢查單。

找到問題所在，王長罡會開出一個診斷報(bào)告，提供治療方案，它可能是一份健康的運(yùn)行報(bào)告，也可能是一份材料采購報(bào)告，如果問題太嚴(yán)重，就需要手術(shù)“換設(shè)備”—這是一份把風(fēng)險扼殺在搖籃里的專業(yè)工作。

在腐蝕和微觀世界里，王長罡看見了自然，但他沒有忘記關(guān)心人類。

“研究腐蝕，不單是研究腐蝕本身，更多是要研究怎么為人類防控腐蝕。”王長罡說。

人類的確有因勢利導(dǎo)、化腐朽為神奇的創(chuàng)造力。防治金屬腐蝕的同時，我們也在利用腐蝕，創(chuàng)造價值。

生活中常見的“過冬神器”暖寶寶，就是利用了鐵粉易被氧氣腐蝕，反應(yīng)過程中釋放出的熱量。

更有技術(shù)含量的，是下面這樣一枚可以自己消失的釘子。

骨科手術(shù)中要用到骨釘，鈦合金、不銹鋼是常見的材料。這些骨釘要是長期留在身體里不取出，在體液的腐蝕下，會不斷有金屬離子溶出，造成健康隱患。為此，骨折病人往往不得不接受二次手術(shù)取骨釘，增加了額外的痛苦和負(fù)擔(dān)。

科學(xué)家早就想到一勞永逸的思路：如果病人的骨頭長好之后，骨釘能自己消失就好了。

千挑萬選，“鎂”成了被選中的最佳金屬。

這兩年，國內(nèi)也研發(fā)出了可降解的醫(yī)用鎂合金骨釘，臨床試驗(yàn)成果也已經(jīng)發(fā)表在了權(quán)威期刊上。

這里的“降解”，就是金屬腐蝕的原理，它利用了鎂和水的化學(xué)反應(yīng)。

“鎂很活潑，身體里的水就可以驅(qū)動它的腐蝕，釋放出的鎂離子正好是人體需要的微量元素，氫氣也會被代謝掉?！蓖蹰L罡解釋，通過控制鎂的表面涂層、金屬合金元素，設(shè)計(jì)骨釘?shù)膲勖?，骨頭愈合之后，讓它自己在人體里腐蝕消失。

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授袁廣銀的研究團(tuán)隊(duì)，就對醫(yī)用鎂骨釘做了細(xì)致的改進(jìn)，公布了臨床試驗(yàn)成果，他們還對比了材料成本。“（鎂骨釘）成本同其他骨內(nèi)材料器械相當(dāng)，甚至比鈦合金骨釘還低。”

人類利用金屬腐蝕的創(chuàng)造力，不會只局限在鎂骨釘，畢竟創(chuàng)造工具、改進(jìn)材料、改造自然，人類從未停下腳步。

從冶金到防腐蝕，從青銅器、發(fā)動機(jī)，到潤滑油、鎂骨釘，這些技術(shù)和產(chǎn)物，是我們講不完的文明史。

但這篇小小的文章，努力想讓你看見的，其實(shí)只是那個既近又遠(yuǎn)的微觀世界：

比如，金屬不是鐵板一塊的死物，每個金屬有它動靜不一的脾性，組成它的粒子總在隱秘又篤定地活動著。

腐蝕也不像它表面看起來那樣丑陋，它有具體的顏色、豐富的形態(tài)，更伴隨著復(fù)雜的物質(zhì)交換、確切的能量轉(zhuǎn)化、無法超越的自然法則。

金屬腐蝕的神奇和精彩，當(dāng)然不是一個簡潔的化學(xué)反應(yīng)式就能囊括的。

王長罡，這位“85后”博士、研究員說，他研究金屬腐蝕的起點(diǎn)，大概是從小時候向大人提問“人為什么活著”開始的，因?yàn)楹髞硭X著，自己似乎能從金屬腐蝕身上找到一些線索。

早前演講里，他有過一句總結(jié)：

一個水龍頭經(jīng)過百千萬億年的等待，經(jīng)過百煉成鋼的浴火重生，換來的僅僅是幾萬個小時的穩(wěn)定服役，“腐蝕人”也致力于將每一個金屬的短暫生命發(fā)揮到極致，向死而生。

這當(dāng)然也不是一個簡潔的化學(xué)反應(yīng)式就能囊括的。