失傳近300年的“絕世好鋼”重出江湖！科學(xué)家3D打印出大馬士革鋼

　　不求連城璧，只求傷人劍。一把稱手兵器是古代大俠標(biāo)配。這種古老的東西，現(xiàn)在和最新科技結(jié)合到了一起。

　　最近，來(lái)自德國(guó)的科學(xué)家，用3D打印技術(shù)造出了一坨“絕世鋼坯”，靈感來(lái)自18世紀(jì)之前的古法制鋼工藝——大馬士革鋼。這種源于古印度的秘技，可以將鐵鑄成兼具硬度和韌性的好鋼，在當(dāng)時(shí)的冷兵器時(shí)代被奉為神器。

　　而它的秘訣，就在于不同成分鋼鐵的逐層堆疊，一層硬、一層韌，最終造出的兵器可長(zhǎng)期保持刃口鋒利。3D打印跟隨這個(gè)思路，直接生產(chǎn)出了失傳已久的大馬士革鋼！

　　研究詳情發(fā)表在6月24日的《自然》雜志。

 名動(dòng)江湖的古法制鋼

　　中國(guó)古代有越王勾踐劍，英格蘭有石中劍和斷鋼劍，日本有天叢云劍，而伊斯蘭國(guó)度，有令歐洲人羨而不得的大馬士革鋼刀劍。

　　這種來(lái)自東方的神奇材料，傳說(shuō)曾讓12世紀(jì)東征穆斯林的英國(guó)十字軍望而生畏，并熱烈追逐。在13世紀(jì)讓埃及的馬穆魯克騎兵以少勝多，擊退超二倍蒙古兵。拿破侖曾評(píng)價(jià)：“法國(guó)步兵配上馬穆魯克騎兵天下無(wú)敵?！?/p>

一把古代大馬士革刀。冷兵器時(shí)代，鑄鐵術(shù)直接影響戰(zhàn)爭(zhēng)成敗。|來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

　　但是這一切在18世紀(jì)結(jié)束。法國(guó)遠(yuǎn)征的火炮打敗了這些在中世紀(jì)憑借駿馬寶刀戰(zhàn)無(wú)不勝的東方勇士。大馬士革鋼原產(chǎn)地印度也被英國(guó)人侵占，鍛造技術(shù)在18世紀(jì)中葉神秘失傳。

　　據(jù)早前《自然》雜志一項(xiàng)研究推測(cè)，技術(shù)失傳很可能是因?yàn)殄懺齑篑R士革鋼的原材料成分發(fā)生了變化，礦石中的一種或數(shù)種微量成分消失了。原來(lái)用于取材的礦脈被采盡，鐵匠們憑眼睛無(wú)法察覺這樣的變化，但是再也造不出之前的大馬士革鋼了。

“點(diǎn)石成金”的微成分

　　為什么肉眼不可見的微量成分，就能決定大馬士革鋼的命運(yùn)？這從現(xiàn)代科學(xué)來(lái)講，很好解釋。

　　我們?nèi)粘Ｋ姷牟牧?，無(wú)一不是由一個(gè)個(gè)原子組成。原子之間結(jié)合的緊密程度，決定了材料的硬度、韌性和光澤，等等。現(xiàn)代制鋼也經(jīng)常會(huì)為了得到特定性能，添加一些額外成分。

　　在鋼材中，用來(lái)調(diào)節(jié)硬度的通常是碳元素。在純鐵中，鐵原子呈面心立方或體心立方排列，質(zhì)地十分柔軟。但加入碳之后，碳和鐵會(huì)結(jié)合形成金屬化合物碳化鐵（Fe3C）。因?yàn)殍F和碳之間結(jié)合力遠(yuǎn)高于鐵原子之間結(jié)合力，所以硬度會(huì)大為增強(qiáng)。

　　細(xì)看大馬士革鋼，會(huì)發(fā)現(xiàn)其表面有著如云海一般夢(mèng)幻的銀黑花紋。這些花紋就是碳含量不同所致。也生動(dòng)表現(xiàn)了什么叫剛?cè)峤Y(jié)合。

　　其中黑色花紋就是含碳量較低（0.8%）的珠光體（現(xiàn)代煉鋼也這么叫）。它韌性非常好，但是硬度不高，也就是軟。銀色花紋是含碳量較高（6.7%）的滲碳體，它硬度要高得多，然而韌性幾乎為零，也就是脆。

　　這兩種成分單獨(dú)做刀劍，都帥不過(guò)三秒，但是結(jié)合在一起，卻是鋒利度和韌性兼具，所向披靡。

典型的大馬士革刀及其表面花紋。|來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

　　古人是怎樣做到這種精細(xì)調(diào)控的，很難得知，無(wú)外乎反復(fù)鍛打和升降溫。我國(guó)越王勾踐劍和日本刀劍，用的也都是這種剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它們代表古法冶金的高峰。

3D打印行不行

　　3D打印是近年被熱炒的網(wǎng)紅技術(shù)，一度被稱為“第四次工業(yè)革命”，反復(fù)被資本熱捧，又被冷落，待遇好似過(guò)山車。但它確實(shí)有傳統(tǒng)制造技術(shù)難以企及的好處。

　　和傳統(tǒng)技術(shù)不同，它是一種逐層制造技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)。字面意思，就是制造過(guò)程中材料是往上加的。而傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)，如車、銑、刨、磨等，材料是往下減的。

　　這使得它能夠輕而易舉地制造一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物件。因?yàn)槭褂迷霾募夹g(shù)，無(wú)論多么復(fù)雜的模型，只要將它“拆解”成薄片，使用計(jì)算機(jī)控制，將熔融狀的材料（或其他可以進(jìn)行薄片成型的材料）一層一層往上堆，就可以做出來(lái)。

計(jì)算機(jī)控制3D打印成型過(guò)程（點(diǎn)擊看動(dòng)圖） |來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

　　比如下面這對(duì)棋子，國(guó)際象棋的王和后。左邊的形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，用傳統(tǒng)減材技術(shù)，拿兩根圓柱用車床沿著外輪廓?jiǎng)澮蝗?，就算完事。但右邊的那一?duì)，就難辦了。除非大神級(jí)工匠，一般人做不出來(lái)，造價(jià)也會(huì)相當(dāng)昂貴。

普通棋子（左）和3D打印棋子（右） | 作者供圖

　　但用3D打印技術(shù)，價(jià)格就很公道了。因?yàn)橹灰讶廴诘牟牧蠌牡撞块_始，一層一層往上涂抹，再冷卻固化，就可以完成。成本和打印一對(duì)簡(jiǎn)單的棋子相差不多。

　　這種不受復(fù)雜度限制、極其靈活的制造方式，極大拓展了設(shè)計(jì)師的思路。從觀賞性的模型，到工業(yè)應(yīng)用，不一而足。近期風(fēng)靡的“神筆馬良”，就讓不少人大開眼界。

3D打印工藝品（上）和3D打印筆作品（中下）。| 素材來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

　　但琳瑯滿目的設(shè)計(jì)，也讓人產(chǎn)生了審美疲勞。既然3D打印如此簡(jiǎn)單，那打印出多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，都不足為奇。

　　但萬(wàn)萬(wàn)沒想到，科學(xué)家將這種特性，延伸到了材料性能調(diào)控領(lǐng)域，為3D打印賦予了全新想象空間。

用網(wǎng)紅技術(shù)打印古法鋼坯

　　在該新研究中，來(lái)自德國(guó)馬普所的科學(xué)家，通過(guò)激光控制熔融金屬，噴涂出了類似古代大馬士革鋼的微結(jié)構(gòu)。激光用來(lái)加熱金屬，并且可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確升溫和降溫，就像古代工匠的手法被精密的機(jī)器取代。

　　實(shí)驗(yàn)得到了漂亮的花紋，說(shuō)明做出的鋼坯確實(shí)有大馬士革鋼的“味道”。并且，它的機(jī)械性能比傳說(shuō)中的大馬士革鋼還要好。

3D打印的大馬士革鋼。由計(jì)算機(jī)控制高速冷卻和循環(huán)再加熱等熱處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)特定合金微結(jié)構(gòu)。 | Max Planck Society ? Frank Vinken

　　這塊鋼具有1300MPa的拉伸強(qiáng)度和10%的伸長(zhǎng)率。MPa是個(gè)壓強(qiáng)單位，相當(dāng)于10個(gè)大氣壓。所以這塊鋼的拉伸強(qiáng)度達(dá)到1.3萬(wàn)個(gè)大氣壓。

　　一般普通鋼筋的拉伸強(qiáng)度在370~630MPa之間，這塊鋼的抗拉能力是普通鋼材的2~3倍。按照普通成年男子極限硬拉力70kg計(jì)算，如果想把一根8毫米直徑的3D打印鋼筋拉斷，大約需要95位男士齊上陣。

　　如果怕站不下，還可以換成世界第一大力士，只需要14位就夠了。但是這樣的大力士，地球上只有一位。

　　其實(shí)，不僅僅是鋼材料，鈦合金也可以通過(guò)3D打印形成精細(xì)結(jié)構(gòu)，使得其抗彎強(qiáng)度提高25%。

　　當(dāng)然，這是另外一項(xiàng)研究，時(shí)間更早一些，當(dāng)時(shí)也曾引起轟動(dòng)。美國(guó)因此做倒閉了好幾家公司，后來(lái)我國(guó)王華明教授做了出來(lái)，并因此評(píng)上了院士。

更多應(yīng)用，更多想象

　　仰賴精準(zhǔn)的數(shù)字化控制，3D打印不僅能提高鋼材機(jī)械性能，其強(qiáng)大的微結(jié)構(gòu)控制能力，也已被應(yīng)用于更多領(lǐng)域。甚至因?yàn)椴挥米鰪?fù)雜的金屬熱處理，在其他領(lǐng)域早已大放異彩。

　　例如，利用3D打印加工的光子晶體，可以對(duì)某些特定的光進(jìn)行吸收，以及提高二極管的發(fā)光效率，未來(lái)還可以用在智能皮膚上，這種皮膚可以像變色龍一樣，隨著環(huán)境而改變顏色。

　　利用3D打印技術(shù)還可以直接在直徑不到200μm（約為頭發(fā)絲粗細(xì)）的光纖頂端制造內(nèi)窺鏡，精密程度嘆為觀止。

在光纖頂端制造內(nèi)窺鏡。|來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

　　此外，它還可以應(yīng)用到生物仿真領(lǐng)域，比如，利用3D打印技術(shù)模擬麥芒的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效的霧水收集，有望應(yīng)用于液滴傳輸、藥物運(yùn)輸、細(xì)胞牽引、海水淡化等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

　　還有3D打印的微流體芯片，可以實(shí)現(xiàn)低成本的快速微生物或者細(xì)胞檢測(cè)。

　　在科技領(lǐng)域，可以說(shuō)，3D打印一直都是熱門。