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古老的奈米科技:大馬士革刀裡的碳奈米管

Original publish date:Mar 08, 2007

編輯 Keelungman 報導

 

一群德國的科學家,在古老的大馬士革刀中發現碳奈米管。這會是大馬士革刀中最關鍵的密秘嗎?

大馬士革刀有著優異的性能:鋒利、韌性佳、而且不易鏽蝕。整把刀身外觀細密交錯著明暗條紋。它們曾經是歐洲十字軍眼中最令人敬畏的武器之一。大馬士革刀的種種特性,來自於它的原料-印度出產的烏茲鋼 (wootz)。這種鋼料類似中國的鑌鐵,材料的結構大致上是由雪明碳鐵 (cementite,Fe3C) 和波來鐵 (pearlite) 混合而成,分別呈現出明亮與暗沉的顏色。堅硬而又抗腐蝕的雪明碳鐵與較有軔性的波來鐵相互配合,使得大馬士革刀同時保有鋒利與強韌的特性。只可惜隨著烏茲鋼的產量大幅下滑,加上成本高昂,鍛造大馬士革刀的祕訣在十八世紀時漸漸失傳了。

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本研究的樣品:slamic Sabre #10, made by Assad Ullah in the 17th Century. Peter Paufler (c) 2006,連結自 archaeology.about.com

近代的科學家試圖要找回鍛造大馬士革刀的祕訣,但總是遭遇失敗。目前的技術可基於積層鋼技術,混合雪明碳鐵和波來鐵鍛造出與大馬士革刀相似的花紋。市面上仿制的大馬士革刀多是用這種技術製造的。但問題在於這種鋼材的機械性質仍遜於烏茲鋼,換句話說,烏茲鋼並非雪明碳鐵和波來鐵混合的積層鋼。近來許多科學家研究烏茲鋼內的微量成份,發現裡面還包含鎢與釩等元素。這類微量元素會改變合金性質,在現代的冶金工藝中受到廣泛地應用。這些發現意味著:烏茲鋼內的微量成份使它與積層鋼的特性大不相同。

2006 年德國德勒斯登科技大學 (TU-Dresden) 的科學家從一份大馬士革刀的樣品中發現新的微量成份:多層碳奈米管 (MWNTs)。在顯微鏡下很容易觀察到烏茲鋼的微米結構,但要找出隱含其中的奈米結構卻得多些工夫。他們利用鹽酸溶解金屬成份,溶解後存在於雪明碳鐵中的奈米線會剩下一些殘渣。科學家們將這些殘渣放到 TEM 下掃描,發現裡面含有 MWNTs。他們推測:在鍛造大馬士革刀的過程中,一些催化元素滲入鋼鐵中導致碳奈米管成長,隨後被雪明碳鐵所包覆。大馬士革刀的機械性質與眾不同,碳奈米管的存在有可能是重要關鍵。

我們已經知道:在某些材料或是陶瓷中摻雜碳奈米管,可提升原材料的機械性能。也許類似的作用也出現在這把古老的刀中。

 

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