用3D打印技術(shù)制造大馬士革刀？如果不是留意到作者的學(xué)術(shù)頭銜，我絕對(duì)不會(huì)相信這是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲许?xiàng)目！據(jù)中科院國(guó)家納米研究中心博士楊懷超介紹，科學(xué)家已經(jīng)破解了大馬士革刀性能卓越的奧秘，并用3D打印機(jī)模擬大馬士革刀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，成功“復(fù)制”出了大馬士革刀。

用最前沿的網(wǎng)紅科技模擬古法打造刀具……讓我們這些仍然堅(jiān)持在用傳統(tǒng)工藝手工做刀的刀匠情何以堪？這是真沒(méi)打算給我們留飯吃?。〔坏貌徽f(shuō)，這些科學(xué)家們真會(huì)玩！

在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中打造一把大馬士革刀

不羨連城璧，但求奪命刀。連中科院納米研究中心都在想辦法復(fù)原大馬士革刀，看來(lái)大馬士革刀的粉絲不止我們這些刀迷和手工愛(ài)好者，連科學(xué)界也抵擋不了絕世寶刀的誘惑。

據(jù)納米研究中心楊懷超博士介紹，最早嘗試用3D打印技術(shù)復(fù)制大馬士革刀的是一群德國(guó)科學(xué)家。這些科學(xué)家希望用最前沿的網(wǎng)紅技術(shù)模擬大馬士革鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，制作一塊兼具硬度和韌性的“絕世刀坯”。

大馬士革鋼原產(chǎn)于中亞的波斯地區(qū)，它是用印度出產(chǎn)的烏茲鋼（一種經(jīng)過(guò)坩堝冶煉，內(nèi)部均勻分布著許多高硬度晶體的高碳鋼）經(jīng)過(guò)特殊工藝鍛造而成。它的絕妙之處在于，同一塊鋼坯由軟硬不同的兩種或者更多成分構(gòu)成，這些成分有規(guī)則地逐層堆疊，一層硬，一層軟，最終打造出的大馬士革刀兼具硬度和韌性并能保持刃口長(zhǎng)久鋒利。

科學(xué)家根據(jù)這個(gè)思路，用3D打印完成金屬逐層堆疊的過(guò)程，在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中模擬出一把“古法大馬士革刀”，并將研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上?！蹲匀弧冯s志創(chuàng)刊于1869年，是世界上最有名望的科學(xué)雜志之一。

物理學(xué)家揭示大馬士革刀的微觀(guān)秘密

現(xiàn)代材料科學(xué)告訴我們，金屬內(nèi)部肉眼不可見(jiàn)的微量成分及其排列方式，決定著大馬士革刀的命運(yùn)。

我們平時(shí)接觸到的各種材料，無(wú)一例外是由一個(gè)一個(gè)的原子構(gòu)成。原子之間結(jié)合的緊密程度，決定著材料的硬度、韌性、耐腐蝕性以及光澤等等性能和特征。在鋼鐵中添加各種微量元素是現(xiàn)代制鋼的一項(xiàng)重要手段。

通常來(lái)說(shuō)，鋼的硬度主要決定于其中的碳元素。在純鐵中，鐵原子呈面心立方或體心立方排列，質(zhì)地非常柔軟。在加入碳之后，碳和鐵會(huì)結(jié)合成金屬化合物碳化鐵（Fe3C）。鐵和碳之間的結(jié)合力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵原子之間的結(jié)合力，碳就像502膠一樣把鐵原子牢牢地粘在一起，因此隨著碳含量的提高，鋼的硬度會(huì)大幅增加。

我們仔細(xì)觀(guān)察大馬士革刀，其表面如盤(pán)龍?jiān)坪Ｒ粯鱼y黑花紋，就是不同碳含量的材料緊密結(jié)合形成的。透過(guò)這些花紋，很容易讓人聯(lián)想到百煉鋼與繞指柔，也就是我們常說(shuō)的剛?cè)岵?jì)。

大馬士革刀上呈現(xiàn)的黑色花紋就是含碳量較低的珠光體，它的韌性非常好，但是硬度不高。銀色花紋是含碳量較高的滲碳體，它硬度非常高，但是韌性極低。單純用珠光體制成的刀具硬度很低，鈍到削紙都費(fèi)勁。而單純用滲碳體制作的刀具又會(huì)非常脆，遇到較強(qiáng)的沖擊就容易斷裂。把兩者結(jié)合在一起，就可以兼具硬度、鋒利度和韌性，剛?cè)岵?jì)，所向披靡。

古代工匠雖然對(duì)微量元素沒(méi)有具體的概念，但是憑借經(jīng)驗(yàn)很早就認(rèn)識(shí)到軟硬結(jié)合可以達(dá)到剛?cè)岵?jì)的道理。他們通過(guò)各種各樣的鑄造以及鍛造工藝，付出大量的勞動(dòng)，調(diào)整軟硬材料的配比以及結(jié)合方式，不斷追求更加卓越的刀劍性能。可以這樣說(shuō)，大馬士革刀上的每一道花紋都凝聚著工匠們的心血與汗水。

3D打印能否還原大馬士革刀

3D打印是一種逐層制造的技術(shù)，又稱(chēng)增材制造技術(shù)。通俗來(lái)講，3D打印的制造過(guò)程是一層一層往上加材料。而傳統(tǒng)的制造過(guò)程是一點(diǎn)一點(diǎn)往下減材料，例如傳統(tǒng)的車(chē)、銑、刨、磨等等，都是在對(duì)材料做減法。

用增材制造技術(shù)可以輕而易舉地制造出一些結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的物件。因?yàn)闊o(wú)論想要制造的物件結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，只要把它拆解成一片一片的，將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，就可以用計(jì)算機(jī)控制熔融狀的材料一層一層往上堆，然后再冷卻固化就可以了。

最早嘗試用3D打印還原大馬士革刀的是德國(guó)馬普所的一群科學(xué)家。馬普所的全稱(chēng)是馬克斯·普朗克協(xié)會(huì)，它以量子論創(chuàng)建者馬克斯·普朗克命名，其前身叫做威廉皇帝協(xié)會(huì)，相當(dāng)于德國(guó)的中科院。

馬普所的科學(xué)家通過(guò)激光控制熔融金屬，噴涂出了類(lèi)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，就如同古代工匠的精巧的手工工藝被精密的機(jī)器所取代。

科學(xué)家制造出來(lái)的大馬士革刀有著與傳統(tǒng)折疊鍛打大馬士革刀相似的漂亮花紋，它的機(jī)械性能也不輸于手工鍛造的大馬士革刀。

現(xiàn)代材料科學(xué)的起點(diǎn)：復(fù)制大馬士革刀

其實(shí)早在中科院納米研究中心和德國(guó)馬普所之前300多年，科學(xué)界就已經(jīng)表現(xiàn)出對(duì)大馬士革鋼這種奇妙金屬的濃厚興趣，其中一些科學(xué)家的名望和成就甚至連中科院與馬普所都望塵莫及。

我們把時(shí)間推回到18世紀(jì)晚期的歐洲。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員皮爾森對(duì)大馬士革鋼發(fā)生興趣，研究了從印度孟買(mǎi)運(yùn)來(lái)的一些蛋糕形狀的鋼錠，并于1795年在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)作了一個(gè)報(bào)告，第一次認(rèn)識(shí)到這是一種鋼而不是鐵，并且首次使用了“烏茲”（wootz）這個(gè)名詞。但是烏茲鋼表面并沒(méi)有大馬士革刀所特有的花紋，皮爾森也沒(méi)能破解烏茲鋼如何變身為大馬士革鋼的秘密。1804年，冶金學(xué)家穆舍特的論文詳細(xì)描述了烏茲鋼的外觀(guān)，指出它硬度如此之高，因?yàn)槭歉咛间摰木壒省?/p>

1818年，著名的刀具生產(chǎn)商斯托達(dá)特搞到了一塊烏茲鋼，交給他的助手法拉第。法拉第檢查了這種鋼中是否含有鐵與碳以外的元素，同時(shí)也分析了一塊英國(guó)本地產(chǎn)的鋼樣品作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。然后，他試圖在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)給鋼加入微量元素來(lái)復(fù)制這種烏茲鋼，但是失敗了。在他發(fā)表于1819年的文章中，也沒(méi)有提到如何把烏茲鋼打造成大馬士革花紋鋼刀。

法拉第在實(shí)驗(yàn)室里建造了一個(gè)簡(jiǎn)易的煉鋼爐，把英國(guó)本地鋼在煉鋼爐中熔化，然后依次加入金銀鉑鎳鉻等各種微量元素，再對(duì)得到的鋼鐵樣本做性能測(cè)試，希望通過(guò)這種方式得到烏茲鋼的配方。后來(lái)法拉第把實(shí)驗(yàn)報(bào)告連同煉制出的幾十塊樣本一起提交給了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。

雖然法拉第沒(méi)能替他的老板復(fù)制出大馬士革刀，但卻誤打誤撞地開(kāi)啟了科學(xué)界對(duì)于合金鋼的研究。鐵匠之子法拉第也因此被譽(yù)為世界“合金鋼之父”。后來(lái)法拉第的研究興趣轉(zhuǎn)移到鐵磁性方面，開(kāi)創(chuàng)了電磁學(xué)研究領(lǐng)域，成為世界著名的科學(xué)家。

1820年，斯托達(dá)特和法拉第聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于合金鋼的文章，這是第一篇將烏茲鋼和大馬士革花紋鋼聯(lián)系起來(lái)的論文，但是論文里只是提到了用烏茲鋼可以制成大馬士革刀（劍），卻忽略了大馬士革刀最重要的鍛造過(guò)程和層疊特征。法拉第對(duì)烏茲鋼可以直接產(chǎn)生大馬士革花紋的假定，導(dǎo)致了后世對(duì)于烏茲鋼的重大誤解，以為只要用烏茲鋼簡(jiǎn)單打磨就能制成帶有漂亮花紋的大馬士革刀，這種誤解一直持續(xù)到了今天。

阿諾索夫是19世紀(jì)俄羅斯著名的冶金學(xué)家， 他利用金相顯微鏡研究中亞生產(chǎn)的布拉特鋼，并在其與大馬士革刀花紋關(guān)系的基礎(chǔ)上，于1840年左右宣稱(chēng)復(fù)制出了大馬士革刀。但是阿諾索夫的技藝似乎由于原始實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)缺失而失傳。

整個(gè)20世紀(jì)，仍有許多科學(xué)家孜孜不倦地進(jìn)行大馬士革刀之謎的研究，或許這也是科學(xué)界對(duì)絕世寶刀的一種情懷。正如美國(guó)著名材料學(xué)家史密斯所指出，從18世紀(jì)開(kāi)始的對(duì)大馬士革刀花紋機(jī)理的研究，促進(jìn)了材料的制備與加工從簡(jiǎn)單走向科學(xué)，催生出金相學(xué)的誕生，并進(jìn)而發(fā)展成了現(xiàn)代材料科學(xué)。