金屬之王是什么（鐵）

鐵是一種古老的金屬，從生產(chǎn)量到應(yīng)用規(guī)模，都可以說是各種金屬材料之首。難怪它被稱為“金屬之王”。有些人認(rèn)為鋼鐵的榮耀已經(jīng)過去了。事實(shí)并非如此，因?yàn)殍F的神秘性質(zhì)提供了廣闊的應(yīng)用前景。讓我們從鐵的生產(chǎn)和工藝的角度，去了解鋼鐵的生產(chǎn)工藝和魅力。

鐵與磁的“緣分”

我國是世界上最早了解磁現(xiàn)象的國家之一。早在公元前4世紀(jì)，《管子》一書就有“上有慈石者，其下有銅金”的記載，是我國最早的磁現(xiàn)象文字記載。在東漢以前的古籍中，“磁”一直被寫成“慈”。到公元前3世紀(jì)，《呂氏春秋》中已有“詞史昭帖”的記載。這說明中國古代勞動(dòng)人民早就知道用磁鐵礦找鐵礦。

由于對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，古人在許多場(chǎng)合應(yīng)用了磁現(xiàn)象的獨(dú)特性質(zhì)。比如中藥的“五石粉”，其中磁鐵礦是其中的重要成分。此外，傳說秦始皇在建造阿房宮時(shí)使用了磁門。只要有人把鐵帶進(jìn)宮殿，它就會(huì)被磁門牢牢地吸收，這樣就可以防止刺客進(jìn)入宮殿。

人類賴以生存的地球是一塊巨大的磁鐵。穩(wěn)定的地磁場(chǎng)是地球生命的“保護(hù)傘”，阻止宇宙射線從太空入侵。地磁的使用早已為人所知。羅盤是中國古代勞動(dòng)人民的一項(xiàng)重大科技發(fā)明，也是地磁利用史上最輝煌的成就。

窺視生命的“天書”

為什么動(dòng)物血是紅色的？原來這是因?yàn)檠�液中含有血紅素，而血紅素化合物的核心元素是鐵，這是大自然的選擇。

鐵是人體最重要的微量元素之一。正常成年人的鐵含量超過3克。人體缺鐵會(huì)引起貧血。人體血液中的血紅蛋白是血紅素和蛋白質(zhì)結(jié)合的產(chǎn)物。它的主要功能是攜帶氧氣。實(shí)驗(yàn)表明，1克血紅蛋白在0℃和1大氣壓下可吸收1.35升氧氣，然后結(jié)合形成含氧血紅蛋白。血液從肺部輸送到人體各組織，再分解成血紅蛋白和氧氣，維持機(jī)體組織的新陳代謝。

有趣的是，自然界中生命的色素具有內(nèi)在的統(tǒng)一性。例如，存在于血液中的血紅素與植物葉片葉綠體中的葉綠素具有驚人的結(jié)構(gòu)相似性。認(rèn)為血紅素和葉綠素奇跡般地屬于吡咯色素家族，構(gòu)成了吡咯色素的兩個(gè)自然范疇。

它們之間的結(jié)構(gòu)差異主要是由于環(huán)結(jié)構(gòu)和結(jié)合金屬的側(cè)基不同。血紅素是鐵卟啉化合物，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成血紅蛋白；葉綠素是鎂卟啉化合物，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成葉綠體。這種相似性揭示了自然界中動(dòng)植物之間的某些聯(lián)系，生命色素中可能隱藏著許多未知的秘密。

金屬之王的“豐碑”

地殼中的鐵含量極為豐富，約為5.5%，僅次于鋁。然而，在自然界中很難找到游離鐵（純鐵）。這是因?yàn)樽匀唤缰械蔫F一般以氧化物或硫化物的形式存在，如磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦等。

人們?cè)?000多年前就開始使用鐵，但那時(shí)人們還沒有掌握煉鐵技術(shù)。據(jù)考古學(xué)家研究，人類最早使用的鐵是來自太空鐵隕石。鐵隕石的主要成分是鐵，又稱“隕石鐵”，同時(shí)含有鈷和鎳。在古埃及人眼中，隕石是上帝賜予人類的“天石”，被視為珍寶。上世紀(jì)70年代，約公元前14世紀(jì)，河北省藁城縣出土了一件商代青銅越。青銅越上有鐵刃，出土?xí)r已銹成氧化鐵，含2.5%的氧化鎳和0.24%的氧化鈷�？茖W(xué)家們認(rèn)為，青銅上的鐵刃使用隕石鐵。

盡管地殼含有極其豐富的鐵，但鐵的熔點(diǎn)（1539℃）很高，明顯高于銅（1083℃）。還原鐵比還原銅困難得多，因此青銅時(shí)代比鐵時(shí)代早。公元前1500年左右，煉鐵業(yè)開始興起于古埃及、兩河流域等地。中國的煉鐵工業(yè)大約興起于西周，春秋時(shí)期開始使用鐵器。到明代，我國年鐵產(chǎn)量達(dá)到4.5萬噸，居世界第一。由于鐵制品非常堅(jiān)硬，它們?nèi)〈�了銅，成為制造武器和工具的主要材料。

鋼鐵也是兩個(gè)不同的概念，主要區(qū)別在于碳的含量。一般來說，含碳量小于0.2%的鐵合金稱為純鐵，碳含量大于2.0%的鐵合金稱為生鐵，含碳量在0.2%-2.0%之間的鐵合金稱為鋼。它們的性能也有顯著差異，如生鐵脆硬，沒有韌性，不能鍛造，但可以鑄造；而鋼又韌又硬，韌性好，適合鍛造、鑄造和軋制。鋼鐵作為人類社會(huì)生產(chǎn)和生活的重要物質(zhì)資源，歷來是國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的重要標(biāo)志。目前，我國鋼鐵產(chǎn)量已恢復(fù)世界第一。

與時(shí)俱進(jìn)地“鐵文化”

在世界工業(yè)革命的大背景下，以鋼材應(yīng)用為代表的“機(jī)器文明”應(yīng)運(yùn)而生，它不僅大大提高了勞動(dòng)效率，而且使人們能夠享受到鋼鐵文明帶來的好處。用7000噸鋼材建造的埃菲爾鐵塔，改變了幾千年來的石頭建筑傳統(tǒng)，促進(jìn)了現(xiàn)代建筑的誕生。埃菲爾鐵塔不僅展示了當(dāng)時(shí)鋼鐵工業(yè)的技術(shù)成果，也反映了建筑結(jié)構(gòu)科學(xué)和建筑技術(shù)的發(fā)展水平。

埃菲爾鐵塔矗立在巴黎市中心的塞納河上，高320多米，相當(dāng)于100層樓高。它是當(dāng)時(shí)世界上第一座鋼結(jié)構(gòu)塔。埃菲爾鐵塔是錯(cuò)開的結(jié)構(gòu)，有四根鐵柱，水泥混凝土地基支撐著高聳的塔樓。使用了1500多個(gè)巨型預(yù)制梁、150萬個(gè)鉚釘和12000個(gè)鑄鋼件。埃菲爾鐵塔向世界展示了鋼結(jié)構(gòu)的巨大建筑能力，這無疑是世界建筑史上的一個(gè)里程碑。

“鳥巢”是2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)。采用世界上獨(dú)一無二的鋼結(jié)構(gòu)工程，采用國內(nèi)為其量身定制的Q460高強(qiáng)度鋼板。那么，什么是Q460鋼？結(jié)果表明，Q460鋼是一種低合金高強(qiáng)度鋼。式中，q是鋼的強(qiáng)度，460是460 MPa。Q460是指當(dāng)鋼的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到460兆帕?xí)r發(fā)生塑性變形，比普通鋼大。

“鳥巢”以其獨(dú)特的鋼結(jié)構(gòu)傳達(dá)了‘親近自然’的時(shí)代理念，從而將‘鐵文化’升華到一個(gè)新的高度。”“鳥巢”不僅是一座獨(dú)具歷史意義的地標(biāo)性建筑，而且為21世紀(jì)世界建筑的發(fā)展提供了歷史見證。

超導(dǎo)走進(jìn)“鐵時(shí)代”

科學(xué)家稱超導(dǎo)體為當(dāng)代科學(xué)的“明珠”，因此吸引了世界頂尖科學(xué)家的不懈努力。中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域取得了重大突破，為超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用開辟了廣闊前景，標(biāo)志著超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)入“鐵時(shí)代”。

超導(dǎo)電性是物質(zhì)在一種特殊狀態(tài)下的導(dǎo)電行為，即在一定溫度下，電子輸運(yùn)過程中沒有電阻。這個(gè)溫度被稱為“轉(zhuǎn)變溫度”。早在1911年，荷蘭物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了汞在4.2K（約268.8℃）的超導(dǎo)電性，并將這種導(dǎo)體的“零電阻效應(yīng)”稱為超導(dǎo)狀態(tài)。從那時(shí)起，科學(xué)家們一直致力于探索高臨界溫度超導(dǎo)體。但由于科學(xué)家一直關(guān)注金屬材料，因此一直沒有突破。直到1930年，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)一種化合物——氧化鋁在15K的溫度下可以產(chǎn)生超導(dǎo)電性，從此科學(xué)家們的眼睛就開始了。

從那時(shí)起，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一系列具有超導(dǎo)性的化合物。1986年，瑞士物理學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)氧化銅的超導(dǎo)性，并獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，20年來，超導(dǎo)體僅限于銅基材料。由于銅基材料的稀缺性和成本高，在低溫條件下難以制造，因此超導(dǎo)技術(shù)的推廣難度很大。

2016年，日本科學(xué)家在26k的溫度下發(fā)現(xiàn)了鐵基材料的超導(dǎo)電性，這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了全世界的科學(xué)家。然而，高溫超導(dǎo)體的形成機(jī)理一直是國際公認(rèn)的問題。

我國科學(xué)家利用脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)等極端實(shí)驗(yàn)條件，大大拓展了鐵基超導(dǎo)體溫度磁場(chǎng)相圖的研究范圍，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的現(xiàn)象，即鐵基超導(dǎo)體具有“各向同性”的特征。這是首次在二維層狀超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的各向同性，它的形成機(jī)制提供了重要的物理信息。鐵基超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)揭示了高溫超導(dǎo)電性在其他材料中存在的可能性，為未來超導(dǎo)電性的探索帶來了新的希望。

作為僅次于銅基超導(dǎo)體的第二大類高溫超導(dǎo)體，鐵基超導(dǎo)體具有更大的應(yīng)用潛力。此后，新的鐵基超導(dǎo)體不斷被發(fā)現(xiàn)，如鑭鐵砷氧化物、鋇鐵砷、鋰鐵砷和鐵硒。這些材料可以摻雜到幾乎所有的原子位置以獲得超導(dǎo)電性。我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的新型鐵硒高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在40K以上，有科學(xué)家預(yù)測(cè)鐵基超導(dǎo)家族是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的超導(dǎo)家族，其成員數(shù)量粗略估計(jì)超過3000個(gè)。