金属世界中的大力士

金属世界中的大力士

“千钧一发”是说将“千钧”的重量系于一条头发丝上，随时有断发的危险，古之人用此来形容情况十分危急；然而千年之后的今天，“千钧一发”不再是梦，这“千钧”的重量会很安全的吊在这根“头发丝”上。不过此“发”非比发也，这里的“发”指得是一种新型的高科技金属材料——晶须。晶须一般只有几到几十微米粗细，几厘米长短，即可以在大自然中天然生成，也可以由人工合成。它具有的强度之高，已经接近于晶体的理论强度。

由于晶须的小，一般它不能被独立使用，而是被编制成线材或与其它聚合物合成纤维来增强符合材料。金属世界中也有这种“伟丈夫”，吊起千钧重量对于它来说，简直不费吹灰之力。于制造桥梁、船舶、飞机、汽车等的金属材料，都要求有较高的强度，即在一定的截面积上能够承受较大的负荷，或者说承受规定的负荷时构件的截面积可以较小，从而使结构轻巧，达到节省材料、提高功效和经济效益的目的。金属须晶是最好的选择。

根据材料显示，工业纯铁的抗拉强度为180兆帕。含碳量为0．45%的碳钢，其抗拉强度为600兆帕，经处理后抗拉强度可达850兆帕。如果添加镍、钼、钴等合金元素，高强度钢的抗拉强度可以增加到900～1400兆帕。超高强度钢的抗拉强度为1200～2800兆帕。

在提高金属材料强度的试验过程中，科学家们偶然间发现了一种胡须状的铁晶须，它的抗拉强度达到了13400兆帕，是工业纯铁的70多倍，是超高强度钢的4～10倍。假如这种铁晶须可以编织成半径为1毫米的线材的话，它可以安全地吊起一辆4吨重的载重汽车。这种铁晶须真可谓金属世界中的“大力士”。

据说早在200年前，人们在炼铜和炼银的废渣中发现过一种胡须状的金属晶须。1945年在贝尔电话研究所工作的专家们也发现了类似的金属须晶。相传在20世纪40年代，美国的电话系统经常出现故障，贝尔电话研究所的专家查明是蓄电池极板表面上长出了一些针状晶体，使电话线路短路。对这些针状晶体进行深入研究表明，它们和极板是同一种金属，但强度大，弹性好。用显微镜观察其形状，犹如猫的胡须，故命名为晶须。现代X射线衍射技术显示，晶须内部的原子排列的方向和部位完全相同，可以说这是一种没有任何缺陷的理想晶体。而在一般金属中，总是存在这样或那样的缺陷。虽说总体上原子是有规则排列的，但局部地方，一些原子的排列并不规则，因而，晶体构造中产生了缺陷。晶体的缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。点缺陷是指在晶体空间中，长、宽、高三个方向都存在很小的缺陷，如有的位置上缺少原子（称为空位），另一些位置上有多余原子（称为间隙原子），或有外来原子溶入（称为异类原子）等。线缺陷是指在晶体中某处有一列或几列原子发生了有规律的错排现象（称为位错）。面缺陷主要指在晶粒和晶粒之间的交界面（称为晶界）上，原子呈不规则排列。

由于晶须中的原子排列极为规则，没有任何缺陷存在，所以目前仅能制成截面直径为数微米大小的晶须，不足头发粗细的1/10。

晶须可以通过金属晶体长时间放置而自然得到，也可以通过人工方法制造。常用的制造晶须的方法有两种：一是蒸发——凝固法，它是在真空或惰性气体环境中，使晶须原料升华或蒸发成气体，再使气体在低温下凝固成晶须；二是化学反应法，是将晶须原料与炉内气体起还原反应，从而长出晶须。如铁晶须是在含结晶水的二氯化铁中加入三氧化二铁，再通过氢的还原而制得的。

上世纪二十年代，金属学家弗兰克根据金属的塑性变形原理，提出了金属理论强度的概念及其计算公式，事实上他计算的就是金属晶须的强度。但是弗兰克算出的理论值比一般金属的实际强度高出数千倍，使人们无法相信他计算的正确性，而且招来了许多非议和攻击。在弗兰克经受了数十年的冤屈之后，二十世纪四五十年代，人们发现了晶须又研制成功了电子显微镜，拍摄到第一张显示晶体缺陷的电子显微照片，弗兰克才得以平反，他理论的正确才被公认，他的计算值与实测值之间的差别才得到了合理的解释。

科学家们之所以如此高度重视晶须，是因为它具有一般金属无可比拟的高强度。让我们一起来探索一下晶须高强度的奥秘吧。

我们通过元素周期律可以知道，金属原子的最外层电子数很少，一般只有1～3个，最多不超过4个，而且这些最外层电子和原子核的结合力较弱，极易脱离原子核的束缚，组成“电子云”为所有原子所共有。金属原子因为失去最外层电子而成为正离子。正是依靠正离子和电子云之间的强大吸力，才把金属原子紧密地结合在一起。对金属晶须而言，由于它是一种理想的晶体，全部原子各就各位，阵容排列整齐，组成了一道坚不可摧的防线，故只有当外力增加到使一部分原子相对于另一部分原子作整体移动时，才能产生塑性变形或断裂。而在一般金属中，存在着这样或那样的晶体缺陷，在不大的外力作用下，只要使少数原子发生短距离的移动，就可以像“千里之堤，溃于蚁穴”那样导致塑性变形或断裂，因而强度不高。

现在人们可以利用已制造出一些极细的金属晶须，编织成较大的线材，或作为增强材料与其他材料组合成复合材料，这些新材料已开始在生产中应用。然而要是晶须在生产中获得大规模的广泛的应用还要有一条很长很长的路要我们去探索。

目前科学工作者们正在探索较大规模制造晶须方法，优化晶须制造的工艺过程，生产更粗更强的晶须，扩大晶须的应用范围，深入开展晶须的基础理论研究……这些都是摆在人们面前的新课题。

纤细的金属晶须的出现给予我们一个重要的启示，同时也给我们带来了信心和希望；肯定了大幅度提高金属强度的可能性，金属材料的强度潜力远远没有充分发挥。让我们畅想一下没有缺陷的理想晶体在未来世界中得到广泛应用时，我们的世界将会是什么样子呢？墙壁只有书本厚的摩天大楼，可以折叠随身携带的汽车，体型轻巧的机器人……