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作者:上海普羅新能源有限公司董事長 史珺博士
三 舊式冶金學與物理冶金學
“如來說：世界，非世界，是名世界。”
----《金剛經(jīng)》第十三品 如法受持分
到十九世紀末期，冶金學發(fā)展十分興旺，當時的金銀、銅和鐵器的制作，催生了大量的工藝和技巧，這些技術使得冶金學成為當時的材料文明的絕對前提。然而，當時的冶金學更確切地說應是一門技巧或手藝，他既不是一門科學，也不是一門技術。
意大利的一位工匠師，名叫Biringuccio的，應該是第一位在紙上明確地記錄了在16世紀制備金屬或合金的各種實驗方法的手藝人，Cyril Smith有一部優(yōu)秀的譯本，以現(xiàn)代的術語翻譯了這篇古老的文獻。在這部譯本的導論部分指出：“Biringuccio的方法主要是實驗性的，他主要關心已被實踐證明是有效的操作方法，而不太關心是什么原因?qū)е伦詈蟮慕Y(jié)果。而當時關于化學方面的知識也不允許有其他更深入的方法，盡管Biringuccio自己有許多有用的假設，但他并不盲目相信煉丹家的理論。如果觀察與理論不相一致，煉丹家往往放棄已有的實驗證據(jù)。”這種理論和實踐相互影響的結(jié)果，是現(xiàn)代材料科學姍姍來遲的一個主要原因。
若干世紀以來，鋼一直作為制作武器和盔甲的材料，它實質(zhì)上是一種鐵與碳的合金。按照Cyril Smith的解釋，直到18世紀末期，關于鋼組成的理論中還流行一種燃素說，其想法是：鐵本為一種低等純度的還原態(tài)，而鋼則應是最純的狀態(tài)。經(jīng)過許多優(yōu)秀的法國科學家一系列的專心致志的化學分析，最后才弄明白鋼的正常狀態(tài)是一種不太純的鐵，特別是含有碳和錳。冶金歷史學家Wertime繪制了一幅鋼冶金發(fā)展史的詳圖以幫助理解鋼的性質(zhì)，指出：“確實，對于鐵和其制造者而言，在其發(fā)展初期，化學有極為重要的貢獻。”
另一方面，千百年來，自然哲學家們一致狂熱地信奉物質(zhì)的純度是其質(zhì)量、功效以及性能的試金石。人類學家Mary Douglas寫了一篇著名的文章，其鮮明的標題是“純潔與危害(Purity and Danger)”，論述一旦有了雜質(zhì)將導致種種風險。在最近的一部令人好奇而又有迷惑力的著作中，兩位作者（Hoffmann和Schmidt），一位是著名的化學家，一位是猶太教摩西律的專家）貢獻了一章，標題為“純凈與雜質(zhì)(Pure/impure)的精妙”，文章序言中引用了耶利米(Jeremial)預言中的禱文：“我已經(jīng)造就了了你，一塊試金石，我的人民，經(jīng)歷了千錘百煉，你可以使用它和掌握制造它們的方法。這就是青銅和鐵，它們將接受各方面強有力的挑戰(zhàn)，但最終它們會被腐蝕殆盡。”冶金學也是一門很困難的技藝，作者引證了美國前總統(tǒng)Herbert Hoover(Agricola的現(xiàn)代譯者），也是一位鑒定家和具有真知灼見的批評家。
有意添加雜質(zhì)的概念（直到半導體技術大規(guī)模應用之前從未有人這么說，一般稱為合金化摻雜）花費了很長一段時間才被人們所接受。Roald Hoffman，上面提到的作者之一，將他寫的一章的標題定為：“科學：推動摻雜的驅(qū)動力（Science and the Drive towards Impurity）”。讀者從標題入手，應當可以很快地正確領悟文章的內(nèi)容。所以，在材料中有意添加雜質(zhì)的行為可以看成是現(xiàn)代材料科學的一個里程碑。然而，所有的事情都是螺旋式前進的，一旦鍺和硅開始被用作半導體，雜質(zhì)的水平控制又變成必不可少的條件，而后這些高純的鍺或者硅才可能被用于摻雜以制備二極管或晶體管。這些準金屬首先被超純化去除提煉，然后對高純的單晶進行摻雜。或者換言之，先純化去雜質(zhì)，然后再摻雜，對雜質(zhì)種類和水平進行更新，這就是今天半導體制備技術的正統(tǒng)工藝路線。
在整個19世紀以及稍后的年代，科學方法常常被許多人所輕視，這些人中包括最有實踐經(jīng)驗的人。一個很好的例子是特立獨行的英國人Harry Brearley（1871~1948），他在1913發(fā)明了不銹鋼。在他的自傳中，在談到科學家與有實際工作經(jīng)驗的工匠之間的沖突時，他寫道：“拒絕這些科學成果是可笑的。這些成果包含了巨大的勞動，是長期的、堅韌不拔的和經(jīng)常是不計報酬的努力。它揚棄了老式烹調(diào)書式的菜譜方法，而代之以一種可理解其原理的制備合金的方法，這種對原理的理解可以被稱為科學。另一方面，由于一個題材可以被科學地說明而更易于理解，可以設想它將難以再用千年不變的古訓來師徒傳承。一個老式手藝人的技巧可能并不能一定要求他們自己用文字完成作品工藝過程的描述。一個可悲的誤導就是假設大學教師對實際知識可以一無所知，根本不值得了解具體工藝過程。即使一個走馬觀花的觀察者也可以看見一些直觀的現(xiàn)象，在排除許多復雜的影響因素之后，在實驗室中對此現(xiàn)象的重現(xiàn)是可能的和原本所希望的，但在中世紀的生產(chǎn)工藝中卻絕對沒有可能做到，實驗室的實驗很難闡明實際生產(chǎn)中的過程控制的關鍵。打個比方，如果只看見布丁的表面形貌和知道它的配方，絕對不意味著你已經(jīng)能夠做出一份好吃的布丁。”他繼續(xù)評論道，“一個人通過顯微鏡所見到的是小中見大，但他的視場是如此有限，以至于他經(jīng)常失去了他正在尋找的目標，而有經(jīng)驗的人卻往往可以一眼看穿。這種觀點古來就有，至今也未絕跡。”
1906年，英國學者Walter Rosenhain在新成立的國家物理實驗室冶金部主任。他帶領他的團隊用各種物理方法研究合金的平衡與性能，1913年，他完成了一部他的名作，書名為《物理冶金研究導論（An Introduction to the Study of Physical Metallurgy）》，一年后該書被出版。這部書記錄了科學冶金的轉(zhuǎn)折點，即如何從一個應用化學的分支便成為應用物理的一個方面。書中十分強調(diào)相圖的作用，后者當時還是一個較新的概念。相圖產(chǎn)生于物理化學的基本原理，而物理化學又由一位原先為機械工程師后轉(zhuǎn)為數(shù)學物理學家的人創(chuàng)立。Gibbs獨自表現(xiàn)出的創(chuàng)造力證明了天才的存在和科學的機遇，然而大多數(shù)研究者還不是天才。
Roenhain在1917年出版了一本書，其中的一章標題為“金屬的現(xiàn)代科學----純科學與應用科學（The Modern Science of Metals, Pure and Applied）”，在這篇文章中，他大量地引進了新冶金學（New Metallurgy）這個術語，本質(zhì)上這是一個極有說服力的論點，論證關于金屬基本研究的重要性，它與上面Brearley的論點恰好相反。
Rosenhain后的三十年，金屬和合金物理學科取得了突飛猛進的發(fā)展。1948年，一位美國物理冶金學的老前輩Robert Franklin Mehl出版了一部名為《金屬科學簡史(A brief History of the Science of Metals》的著作，詳述了有關情況。Mehl在哈佛大學與Sauveur工作過一段時間，1927年29歲的Mehl加入了海軍研究實驗室，其位于華盛頓特區(qū)，是世界上最大的實驗室之一。在那里，他是新成立的物理冶金研究部主任，稍后變成了冶金研究部。這說明在當時的美國國內(nèi)“物理冶金學”與“冶金學”已變成同一學科。
其實，在更早一些的1932年，34歲的Robert Mehl已成為位于匹茲堡(Pittsburgh)的卡內(nèi)基理工學院（Carnegie Institute of Technology）的冶金學教授，并在那里建立了金屬研究實驗室，那里是創(chuàng)建美國“新冶金學”中有決定性影響的幾個單位之一，今天仍然是一個杰出的實驗室。盡管Mehl有很大的正面影響，但從第二次世界大戰(zhàn)后，他一直質(zhì)疑材料科學的概念，可以這樣說，Mehl實際是材料科學反對派的首領。他還猛烈抨擊空位與位錯學說，他認為這只不過是物理學家的泛泛空談，而這些物理學家實質(zhì)上是冶金學的敵人。這種懷疑論的結(jié)果對他別具一格的擴散實驗結(jié)果造成了很大的影響。Mehl 認為冶金學本身就可以體現(xiàn)所有必須的多樣性變化。他認為：“這種到處建立材料科學與工程（MSE）學科的趨勢只不過是有人為了獲得基金的一個空談的花招而已。”在當今中國科技部的許多項目申報中，不少新的學科也常常被這樣評價；這說明一種新的學科要取得認同，是需要一個艱難而長期的過程的。
應當指出，在準備物理冶金這樣一個理論基礎的過程中，Mehl無疑起到了核心和關鍵的作用，而這一基礎有益于大大拓寬材料科學的視野。所以，有時材料科學的反對者或許無意識地促進了材料科學的發(fā)展，就像當今的冶金法多晶硅的反對者一樣。
（未完待續(xù)）
三 舊式冶金學與物理冶金學
“如來說：世界，非世界，是名世界。”
----《金剛經(jīng)》第十三品 如法受持分
到十九世紀末期，冶金學發(fā)展十分興旺，當時的金銀、銅和鐵器的制作，催生了大量的工藝和技巧，這些技術使得冶金學成為當時的材料文明的絕對前提。然而，當時的冶金學更確切地說應是一門技巧或手藝，他既不是一門科學，也不是一門技術。
意大利的一位工匠師，名叫Biringuccio的，應該是第一位在紙上明確地記錄了在16世紀制備金屬或合金的各種實驗方法的手藝人，Cyril Smith有一部優(yōu)秀的譯本，以現(xiàn)代的術語翻譯了這篇古老的文獻。在這部譯本的導論部分指出：“Biringuccio的方法主要是實驗性的，他主要關心已被實踐證明是有效的操作方法，而不太關心是什么原因?qū)е伦詈蟮慕Y(jié)果。而當時關于化學方面的知識也不允許有其他更深入的方法，盡管Biringuccio自己有許多有用的假設，但他并不盲目相信煉丹家的理論。如果觀察與理論不相一致，煉丹家往往放棄已有的實驗證據(jù)。”這種理論和實踐相互影響的結(jié)果，是現(xiàn)代材料科學姍姍來遲的一個主要原因。
若干世紀以來，鋼一直作為制作武器和盔甲的材料，它實質(zhì)上是一種鐵與碳的合金。按照Cyril Smith的解釋，直到18世紀末期，關于鋼組成的理論中還流行一種燃素說，其想法是：鐵本為一種低等純度的還原態(tài)，而鋼則應是最純的狀態(tài)。經(jīng)過許多優(yōu)秀的法國科學家一系列的專心致志的化學分析，最后才弄明白鋼的正常狀態(tài)是一種不太純的鐵，特別是含有碳和錳。冶金歷史學家Wertime繪制了一幅鋼冶金發(fā)展史的詳圖以幫助理解鋼的性質(zhì)，指出：“確實，對于鐵和其制造者而言，在其發(fā)展初期，化學有極為重要的貢獻。”
另一方面，千百年來，自然哲學家們一致狂熱地信奉物質(zhì)的純度是其質(zhì)量、功效以及性能的試金石。人類學家Mary Douglas寫了一篇著名的文章，其鮮明的標題是“純潔與危害(Purity and Danger)”，論述一旦有了雜質(zhì)將導致種種風險。在最近的一部令人好奇而又有迷惑力的著作中，兩位作者（Hoffmann和Schmidt），一位是著名的化學家，一位是猶太教摩西律的專家）貢獻了一章，標題為“純凈與雜質(zhì)(Pure/impure)的精妙”，文章序言中引用了耶利米(Jeremial)預言中的禱文：“我已經(jīng)造就了了你，一塊試金石，我的人民，經(jīng)歷了千錘百煉，你可以使用它和掌握制造它們的方法。這就是青銅和鐵，它們將接受各方面強有力的挑戰(zhàn)，但最終它們會被腐蝕殆盡。”冶金學也是一門很困難的技藝，作者引證了美國前總統(tǒng)Herbert Hoover(Agricola的現(xiàn)代譯者），也是一位鑒定家和具有真知灼見的批評家。
有意添加雜質(zhì)的概念（直到半導體技術大規(guī)模應用之前從未有人這么說，一般稱為合金化摻雜）花費了很長一段時間才被人們所接受。Roald Hoffman，上面提到的作者之一，將他寫的一章的標題定為：“科學：推動摻雜的驅(qū)動力（Science and the Drive towards Impurity）”。讀者從標題入手，應當可以很快地正確領悟文章的內(nèi)容。所以，在材料中有意添加雜質(zhì)的行為可以看成是現(xiàn)代材料科學的一個里程碑。然而，所有的事情都是螺旋式前進的，一旦鍺和硅開始被用作半導體，雜質(zhì)的水平控制又變成必不可少的條件，而后這些高純的鍺或者硅才可能被用于摻雜以制備二極管或晶體管。這些準金屬首先被超純化去除提煉，然后對高純的單晶進行摻雜。或者換言之，先純化去雜質(zhì)，然后再摻雜，對雜質(zhì)種類和水平進行更新，這就是今天半導體制備技術的正統(tǒng)工藝路線。
在整個19世紀以及稍后的年代，科學方法常常被許多人所輕視，這些人中包括最有實踐經(jīng)驗的人。一個很好的例子是特立獨行的英國人Harry Brearley（1871~1948），他在1913發(fā)明了不銹鋼。在他的自傳中，在談到科學家與有實際工作經(jīng)驗的工匠之間的沖突時，他寫道：“拒絕這些科學成果是可笑的。這些成果包含了巨大的勞動，是長期的、堅韌不拔的和經(jīng)常是不計報酬的努力。它揚棄了老式烹調(diào)書式的菜譜方法，而代之以一種可理解其原理的制備合金的方法，這種對原理的理解可以被稱為科學。另一方面，由于一個題材可以被科學地說明而更易于理解，可以設想它將難以再用千年不變的古訓來師徒傳承。一個老式手藝人的技巧可能并不能一定要求他們自己用文字完成作品工藝過程的描述。一個可悲的誤導就是假設大學教師對實際知識可以一無所知，根本不值得了解具體工藝過程。即使一個走馬觀花的觀察者也可以看見一些直觀的現(xiàn)象，在排除許多復雜的影響因素之后，在實驗室中對此現(xiàn)象的重現(xiàn)是可能的和原本所希望的，但在中世紀的生產(chǎn)工藝中卻絕對沒有可能做到，實驗室的實驗很難闡明實際生產(chǎn)中的過程控制的關鍵。打個比方，如果只看見布丁的表面形貌和知道它的配方，絕對不意味著你已經(jīng)能夠做出一份好吃的布丁。”他繼續(xù)評論道，“一個人通過顯微鏡所見到的是小中見大，但他的視場是如此有限，以至于他經(jīng)常失去了他正在尋找的目標，而有經(jīng)驗的人卻往往可以一眼看穿。這種觀點古來就有，至今也未絕跡。”
1906年，英國學者Walter Rosenhain在新成立的國家物理實驗室冶金部主任。他帶領他的團隊用各種物理方法研究合金的平衡與性能，1913年，他完成了一部他的名作，書名為《物理冶金研究導論（An Introduction to the Study of Physical Metallurgy）》，一年后該書被出版。這部書記錄了科學冶金的轉(zhuǎn)折點，即如何從一個應用化學的分支便成為應用物理的一個方面。書中十分強調(diào)相圖的作用，后者當時還是一個較新的概念。相圖產(chǎn)生于物理化學的基本原理，而物理化學又由一位原先為機械工程師后轉(zhuǎn)為數(shù)學物理學家的人創(chuàng)立。Gibbs獨自表現(xiàn)出的創(chuàng)造力證明了天才的存在和科學的機遇，然而大多數(shù)研究者還不是天才。
Roenhain在1917年出版了一本書，其中的一章標題為“金屬的現(xiàn)代科學----純科學與應用科學（The Modern Science of Metals, Pure and Applied）”，在這篇文章中，他大量地引進了新冶金學（New Metallurgy）這個術語，本質(zhì)上這是一個極有說服力的論點，論證關于金屬基本研究的重要性，它與上面Brearley的論點恰好相反。
Rosenhain后的三十年，金屬和合金物理學科取得了突飛猛進的發(fā)展。1948年，一位美國物理冶金學的老前輩Robert Franklin Mehl出版了一部名為《金屬科學簡史(A brief History of the Science of Metals》的著作，詳述了有關情況。Mehl在哈佛大學與Sauveur工作過一段時間，1927年29歲的Mehl加入了海軍研究實驗室，其位于華盛頓特區(qū)，是世界上最大的實驗室之一。在那里，他是新成立的物理冶金研究部主任，稍后變成了冶金研究部。這說明在當時的美國國內(nèi)“物理冶金學”與“冶金學”已變成同一學科。
其實，在更早一些的1932年，34歲的Robert Mehl已成為位于匹茲堡(Pittsburgh)的卡內(nèi)基理工學院（Carnegie Institute of Technology）的冶金學教授，并在那里建立了金屬研究實驗室，那里是創(chuàng)建美國“新冶金學”中有決定性影響的幾個單位之一，今天仍然是一個杰出的實驗室。盡管Mehl有很大的正面影響，但從第二次世界大戰(zhàn)后，他一直質(zhì)疑材料科學的概念，可以這樣說，Mehl實際是材料科學反對派的首領。他還猛烈抨擊空位與位錯學說，他認為這只不過是物理學家的泛泛空談，而這些物理學家實質(zhì)上是冶金學的敵人。這種懷疑論的結(jié)果對他別具一格的擴散實驗結(jié)果造成了很大的影響。Mehl 認為冶金學本身就可以體現(xiàn)所有必須的多樣性變化。他認為：“這種到處建立材料科學與工程（MSE）學科的趨勢只不過是有人為了獲得基金的一個空談的花招而已。”在當今中國科技部的許多項目申報中，不少新的學科也常常被這樣評價；這說明一種新的學科要取得認同，是需要一個艱難而長期的過程的。
應當指出，在準備物理冶金這樣一個理論基礎的過程中，Mehl無疑起到了核心和關鍵的作用，而這一基礎有益于大大拓寬材料科學的視野。所以，有時材料科學的反對者或許無意識地促進了材料科學的發(fā)展，就像當今的冶金法多晶硅的反對者一樣。
（未完待續(xù)）
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