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(yù)為“金屬之王”。有人認(rèn)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(jìn)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(fēng)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(rèn)識磁現(xiàn)象的國家之一，早在公元前4世紀(jì)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(jì)，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(rèn)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(dú)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(jìn)宮就會被磁石門牢牢地吸住，因此可以防止刺客進(jìn)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(hù)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(yùn)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(jī)體的各個組織中，再分解為血紅蛋白和氧氣，以維持機(jī)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(rèn)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(xué)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(jì)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(jì)左右。青銅鉞上有鐵質(zhì)刀刃，出土?xí)r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(xué)家認(rèn)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(diǎn)（1539℃）很高，明顯高于銅的熔點(diǎn)（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(dá)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(jì)實力和科技水平的重要標(biāo)志。目前，我國鋼產(chǎn)量已重回世界首位。

與時俱進(jìn)的“鐵文化”

在世界工業(yè)革命的背景下，應(yīng)運(yùn)而生的“機(jī)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(dāng)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(xué)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(dá)320多米，相當(dāng)于100層樓高，是當(dāng)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(yù)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(yùn)會主體育場，它采用了世界上獨(dú)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(qiáng)鋼板。那么，什么是Q460鋼呢？原來，Q460鋼是一種低合金高強(qiáng)度鋼。其中，Q代表鋼材的強(qiáng)度，460代表460兆帕。Q460的含義是鋼材受力強(qiáng)度達(dá)到460兆帕?xí)r才會發(fā)生塑性變形，這個強(qiáng)度要比一般的鋼材大。

“鳥巢”用獨(dú)特的鋼鐵結(jié)構(gòu)傳達(dá)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(dú)特的具有歷史意義的標(biāo)志性建筑，而且也為21世紀(jì)的世界建筑發(fā)展提供了一個歷史見證。

超導(dǎo)走進(jìn)“鐵時代”

科學(xué)家把超導(dǎo)體稱為當(dāng)代科學(xué)的“明珠”，因此吸引了世界頂級科學(xué)家為之不懈努力。我國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域取得了重大突破，為超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用開辟了廣闊前景，標(biāo)志著超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)入了“鐵時代”。

超導(dǎo)性是物質(zhì)處于某種特殊狀態(tài)下的導(dǎo)電行為，即物質(zhì)在某一溫度下電子在輸運(yùn)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(xué)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(dǎo)性能，并把這種導(dǎo)體的“零電阻效應(yīng)”稱為超導(dǎo)態(tài)。此后，科學(xué)家們一直在致力于探索高臨界溫度的超導(dǎo)材料。但由于科學(xué)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(xué)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(dǎo)性，科學(xué)家的目光從此豁然開朗。

此后，科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了一系列具有超導(dǎo)性的化合物。1986年，瑞士物理學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)了銅氧化物的超導(dǎo)性，并因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。不過，20年來超導(dǎo)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(dǎo)技術(shù)難于被推廣應(yīng)用。

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

我國科學(xué)家通過采用脈沖強(qiáng)磁場等極端實驗條件，極大地延伸了鐵基超導(dǎo)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(dǎo)材料具有“各向同性”的特征，這是首次在二維層狀的超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)的各向同性，為揭示鐵基超導(dǎo)材料的形成機(jī)理提供了重要的物理信息。鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)揭示了高溫超導(dǎo)存在于其他更多材料的可能性，因而為未來的超導(dǎo)探索帶來了新的希望。

鐵基超導(dǎo)體作為繼銅基超導(dǎo)體之后的第二大高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行不同的摻雜而獲得超導(dǎo)電性。我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的鐵硒類新型高溫超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)40K以上。有科學(xué)家預(yù)測，鐵基超導(dǎo)家族是目前發(fā)現(xiàn)的最龐大的超導(dǎo)家族，其成員數(shù)目粗略估計有3000多種。

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