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作者:上海普罗新能源有限公司董事长 史珺博士
三 旧式冶金学与物理冶金学
“如来说：世界，非世界，是名世界。”
----《金刚经》第十三品 如法受持分
到十九世纪末期，冶金学发展十分兴旺，当时的金银、铜和铁器的制作，催生了大量的工艺和技巧，这些技术使得冶金学成为当时的材料文明的绝对前提。然而，当时的冶金学更确切地说应是一门技巧或手艺，他既不是一门科学，也不是一门技术。
意大利的一位工匠师，名叫Biringuccio的，应该是第一位在纸上明确地记录了在16世纪制备金属或合金的各种实验方法的手艺人，Cyril Smith有一部优秀的译本，以现代的术语翻译了这篇古老的文献。在这部译本的导论部分指出：“Biringuccio的方法主要是实验性的，他主要关心已被实践证明是有效的操作方法，而不太关心是什么原因导致最后的结果。而当时关于化学方面的知识也不允许有其他更深入的方法，尽管Biringuccio自己有许多有用的假设，但他并不盲目相信炼丹家的理论。如果观察与理论不相一致，炼丹家往往放弃已有的实验证据。”这种理论和实践相互影响的结果，是现代材料科学姗姗来迟的一个主要原因。
若干世纪以来，钢一直作为制作武器和盔甲的材料，它实质上是一种铁与碳的合金。按照Cyril Smith的解释，直到18世纪末期，关于钢组成的理论中还流行一种燃素说，其想法是：铁本为一种低等纯度的还原态，而钢则应是最纯的状态。经过许多优秀的法国科学家一系列的专心致志的化学分析，最后才弄明白钢的正常状态是一种不太纯的铁，特别是含有碳和锰。冶金历史学家Wertime绘制了一幅钢冶金发展史的详图以帮助理解钢的性质，指出：“确实，对于铁和其制造者而言，在其发展初期，化学有极为重要的贡献。”
另一方面，千百年来，自然哲学家们一致狂热地信奉物质的纯度是其质量、功效以及性能的试金石。人类学家Mary Douglas写了一篇著名的文章，其鲜明的标题是“纯洁与危害(Purity and Danger)”，论述一旦有了杂质将导致种种风险。在最近的一部令人好奇而又有迷惑力的著作中，两位作者（Hoffmann和Schmidt），一位是著名的化学家，一位是犹太教摩西律的专家）贡献了一章，标题为“纯净与杂质(Pure/impure)的精妙”，文章序言中引用了耶利米(Jeremial)预言中的祷文：“我已经造就了了你，一块试金石，我的人民，经历了千锤百炼，你可以使用它和掌握制造它们的方法。这就是青铜和铁，它们将接受各方面强有力的挑战，但最终它们会被腐蚀殆尽。”冶金学也是一门很困难的技艺，作者引证了美国前总统Herbert Hoover(Agricola的现代译者），也是一位鉴定家和具有真知灼见的批评家。
有意添加杂质的概念（直到半导体技术大规模应用之前从未有人这么说，一般称为合金化掺杂）花费了很长一段时间才被人们所接受。Roald Hoffman，上面提到的作者之一，将他写的一章的标题定为：“科学：推动掺杂的驱动力（Science and the Drive towards Impurity）”。读者从标题入手，应当可以很快地正确领悟文章的内容。所以，在材料中有意添加杂质的行为可以看成是现代材料科学的一个里程碑。然而，所有的事情都是螺旋式前进的，一旦锗和硅开始被用作半导体，杂质的水平控制又变成必不可少的条件，而后这些高纯的锗或者硅才可能被用于掺杂以制备二极管或晶体管。这些准金属首先被超纯化去除提炼，然后对高纯的单晶进行掺杂。或者换言之，先纯化去杂质，然后再掺杂，对杂质种类和水平进行更新，这就是今天半导体制备技术的正统工艺路线。
在整个19世纪以及稍后的年代，科学方法常常被许多人所轻视，这些人中包括最有实践经验的人。一个很好的例子是特立独行的英国人Harry Brearley（1871~1948），他在1913发明了不锈钢。在他的自传中，在谈到科学家与有实际工作经验的工匠之间的冲突时，他写道：“拒绝这些科学成果是可笑的。这些成果包含了巨大的劳动，是长期的、坚韧不拔的和经常是不计报酬的努力。它扬弃了老式烹调书式的菜谱方法，而代之以一种可理解其原理的制备合金的方法，这种对原理的理解可以被称为科学。另一方面，由于一个题材可以被科学地说明而更易于理解，可以设想它将难以再用千年不变的古训来师徒传承。一个老式手艺人的技巧可能并不能一定要求他们自己用文字完成作品工艺过程的描述。一个可悲的误导就是假设大学教师对实际知识可以一无所知，根本不值得了解具体工艺过程。即使一个走马观花的观察者也可以看见一些直观的现象，在排除许多复杂的影响因素之后，在实验室中对此现象的重现是可能的和原本所希望的，但在中世纪的生产工艺中却绝对没有可能做到，实验室的实验很难阐明实际生产中的过程控制的关键。打个比方，如果只看见布丁的表面形貌和知道它的配方，绝对不意味着你已经能够做出一份好吃的布丁。”他继续评论道，“一个人通过显微镜所见到的是小中见大，但他的视场是如此有限，以至于他经常失去了他正在寻找的目标，而有经验的人却往往可以一眼看穿。这种观点古来就有，至今也未绝迹。”
1906年，英国学者Walter Rosenhain在新成立的国家物理实验室冶金部主任。他带领他的团队用各种物理方法研究合金的平衡与性能，1913年，他完成了一部他的名作，书名为《物理冶金研究导论（An Introduction to the Study of Physical Metallurgy）》，一年后该书被出版。这部书记录了科学冶金的转折点，即如何从一个应用化学的分支便成为应用物理的一个方面。书中十分强调相图的作用，后者当时还是一个较新的概念。相图产生于物理化学的基本原理，而物理化学又由一位原先为机械工程师后转为数学物理学家的人创立。Gibbs独自表现出的创造力证明了天才的存在和科学的机遇，然而大多数研究者还不是天才。
Roenhain在1917年出版了一本书，其中的一章标题为“金属的现代科学----纯科学与应用科学（The Modern Science of Metals, Pure and Applied）”，在这篇文章中，他大量地引进了新冶金学（New Metallurgy）这个术语，本质上这是一个极有说服力的论点，论证关于金属基本研究的重要性，它与上面Brearley的论点恰好相反。
Rosenhain后的三十年，金属和合金物理学科取得了突飞猛进的发展。1948年，一位美国物理冶金学的老前辈Robert Franklin Mehl出版了一部名为《金属科学简史(A brief History of the Science of Metals》的著作，详述了有关情况。Mehl在哈佛大学与Sauveur工作过一段时间，1927年29岁的Mehl加入了海军研究实验室，其位于华盛顿特区，是世界上最大的实验室之一。在那里，他是新成立的物理冶金研究部主任，稍后变成了冶金研究部。这说明在当时的美国国内“物理冶金学”与“冶金学”已变成同一学科。
其实，在更早一些的1932年，34岁的Robert Mehl已成为位于匹兹堡(Pittsburgh)的卡内基理工学院（Carnegie Institute of Technology）的冶金学教授，并在那里建立了金属研究实验室，那里是创建美国“新冶金学”中有决定性影响的几个单位之一，今天仍然是一个杰出的实验室。尽管Mehl有很大的正面影响，但从第二次世界大战后，他一直质疑材料科学的概念，可以这样说，Mehl实际是材料科学反对派的首领。他还猛烈抨击空位与位错学说，他认为这只不过是物理学家的泛泛空谈，而这些物理学家实质上是冶金学的敌人。这种怀疑论的结果对他别具一格的扩散实验结果造成了很大的影响。Mehl 认为冶金学本身就可以体现所有必须的多样性变化。他认为：“这种到处建立材料科学与工程（MSE）学科的趋势只不过是有人为了获得基金的一个空谈的花招而已。”在当今中国科技部的许多项目申报中，不少新的学科也常常被这样评价；这说明一种新的学科要取得认同，是需要一个艰难而长期的过程的。
应当指出，在准备物理冶金这样一个理论基础的过程中，Mehl无疑起到了核心和关键的作用，而这一基础有益于大大拓宽材料科学的视野。所以，有时材料科学的反对者或许无意识地促进了材料科学的发展，就像当今的冶金法多晶硅的反对者一样。
（未完待续）
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