作者:上海普羅新能源有限公司董事長(zhǎng) 史珺博士 

三 舊式冶金學(xué)與物理冶金學(xué)

“如來(lái)說(shuō)：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(jì)末期，冶金學(xué)發(fā)展十分興旺，當(dāng)時(shí)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(shù)使得冶金學(xué)成為當(dāng)時(shí)的材料文明的絕對(duì)前提。然而，當(dāng)時(shí)的冶金學(xué)更確切地說(shuō)應(yīng)是一門(mén)技巧或手藝，他既不是一門(mén)科學(xué)，也不是一門(mén)技術(shù)。

意大利的一位工匠師，名叫Biringuccio的，應(yīng)該是第一位在紙上明確地記錄了在16世紀(jì)制備金屬或合金的各種實(shí)驗(yàn)方法的手藝人，Cyril Smith有一部?jī)?yōu)秀的譯本，以現(xiàn)代的術(shù)語(yǔ)翻譯了這篇古老的文獻(xiàn)。在這部譯本的導(dǎo)論部分指出：“Biringuccio的方法主要是實(shí)驗(yàn)性的，他主要關(guān)心已被實(shí)踐證明是有效的操作方法，而不太關(guān)心是什么原因?qū)е伦詈蟮慕Y(jié)果。而當(dāng)時(shí)關(guān)于化學(xué)方面的知識(shí)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(shè)，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(shí)驗(yàn)證據(jù)。”這種理論和實(shí)踐相互影響的結(jié)果，是現(xiàn)代材料科學(xué)姍姍來(lái)遲的一個(gè)主要原因。

若干世紀(jì)以來(lái)，鋼一直作為制作武器和盔甲的材料，它實(shí)質(zhì)上是一種鐵與碳的合金。按照Cyril Smith的解釋?zhuān)钡?8世紀(jì)末期，關(guān)于鋼組成的理論中還流行一種燃素說(shuō)，其想法是：鐵本為一種低等純度的還原態(tài)，而鋼則應(yīng)是最純的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)許多優(yōu)秀的法國(guó)科學(xué)家一系列的專(zhuān)心致志的化學(xué)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(xué)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(shí)，對(duì)于鐵和其制造者而言，在其發(fā)展初期，化學(xué)有極為重要的貢獻(xiàn)。”

另一方面，千百年來(lái)，自然哲學(xué)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(lèi)學(xué)家Mary Douglas寫(xiě)了一篇著名的文章，其鮮明的標(biāo)題是“純潔與危害(Purity and Danger)”，論述一旦有了雜質(zhì)將導(dǎo)致種種風(fēng)險(xiǎn)。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(xué)家，一位是猶太教摩西律的專(zhuān)家）貢獻(xiàn)了一章，標(biāo)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(yù)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(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，但最終它們會(huì)被腐蝕殆盡。”冶金學(xué)也是一門(mén)很困難的技藝，作者引證了美國(guó)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(jiàn)的批評(píng)家。

有意添加雜質(zhì)的概念（直到半導(dǎo)體技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之前從未有人這么說(shuō)，一般稱(chēng)為合金化摻雜）花費(fèi)了很長(zhǎng)一段時(shí)間才被人們所接受。Roald Hoffman，上面提到的作者之一，將他寫(xiě)的一章的標(biāo)題定為：“科學(xué)：推動(dòng)摻雜的驅(qū)動(dòng)力（Science and the Drive towards Impurity）”。讀者從標(biāo)題入手，應(yīng)當(dāng)可以很快地正確領(lǐng)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(xué)的一個(gè)里程碑。然而，所有的事情都是螺旋式前進(jìn)的，一旦鍺和硅開(kāi)始被用作半導(dǎo)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(zhǔn)金屬首先被超純化去除提煉，然后對(duì)高純的單晶進(jìn)行摻雜。或者換言之，先純化去雜質(zhì)，然后再摻雜，對(duì)雜質(zhì)種類(lèi)和水平進(jìn)行更新，這就是今天半導(dǎo)體制備技術(shù)的正統(tǒng)工藝路線(xiàn)。

在整個(gè)19世紀(jì)以及稍后的年代，科學(xué)方法常常被許多人所輕視，這些人中包括最有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人。一個(gè)很好的例子是特立獨(dú)行的英國(guó)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(xué)家與有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的工匠之間的沖突時(shí)，他寫(xiě)道：“拒絕這些科學(xué)成果是可笑的。這些成果包含了巨大的勞動(dòng)，是長(zhǎng)期的、堅(jiān)韌不拔的和經(jīng)常是不計(jì)報(bào)酬的努力。它揚(yáng)棄了老式烹調(diào)書(shū)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(duì)原理的理解可以被稱(chēng)為科學(xué)。另一方面，由于一個(gè)題材可以被科學(xué)地說(shuō)明而更易于理解，可以設(shè)想它將難以再用千年不變的古訓(xùn)來(lái)師徒傳承。一個(gè)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(guò)程的描述。一個(gè)可悲的誤導(dǎo)就是假設(shè)大學(xué)教師對(duì)實(shí)際知識(shí)可以一無(wú)所知，根本不值得了解具體工藝過(guò)程。即使一個(gè)走馬觀花的觀察者也可以看見(jiàn)一些直觀的現(xiàn)象，在排除許多復(fù)雜的影響因素之后，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)此現(xiàn)象的重現(xiàn)是可能的和原本所希望的，但在中世紀(jì)的生產(chǎn)工藝中卻絕對(duì)沒(méi)有可能做到，實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)很難闡明實(shí)際生產(chǎn)中的過(guò)程控制的關(guān)鍵。打個(gè)比方，如果只看見(jiàn)布丁的表面形貌和知道它的配方，絕對(duì)不意味著你已經(jīng)能夠做出一份好吃的布丁。”他繼續(xù)評(píng)論道，“一個(gè)人通過(guò)顯微鏡所見(jiàn)到的是小中見(jiàn)大，但他的視場(chǎng)是如此有限，以至于他經(jīng)常失去了他正在尋找的目標(biāo)，而有經(jīng)驗(yàn)的人卻往往可以一眼看穿。這種觀點(diǎn)古來(lái)就有，至今也未絕跡。”

1906年，英國(guó)學(xué)者Walter Rosenhain在新成立的國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室冶金部主任。他帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)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(shū)名為《物理冶金研究導(dǎo)論（An Introduction to the Study of Physical Metallurgy）》，一年后該書(shū)被出版。這部書(shū)記錄了科學(xué)冶金的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即如何從一個(gè)應(yīng)用化學(xué)的分支便成為應(yīng)用物理的一個(gè)方面。書(shū)中十分強(qiáng)調(diào)相圖的作用，后者當(dāng)時(shí)還是一個(gè)較新的概念。相圖產(chǎn)生于物理化學(xué)的基本原理，而物理化學(xué)又由一位原先為機(jī)械工程師后轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué)物理學(xué)家的人創(chuàng)立。Gibbs獨(dú)自表現(xiàn)出的創(chuàng)造力證明了天才的存在和科學(xué)的機(jī)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(shū)，其中的一章標(biāo)題為“金屬的現(xiàn)代科學(xué)----純科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)（The Modern Science of Metals, Pure and Applied）”，在這篇文章中，他大量地引進(jìn)了新冶金學(xué)（New Metallurgy）這個(gè)術(shù)語(yǔ)，本質(zhì)上這是一個(gè)極有說(shuō)服力的論點(diǎn)，論證關(guān)于金屬基本研究的重要性，它與上面Brearley的論點(diǎn)恰好相反。

Rosenhain后的三十年，金屬和合金物理學(xué)科取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。1948年，一位美國(guó)物理冶金學(xué)的老前輩Robert Franklin Mehl出版了一部名為《金屬科學(xué)簡(jiǎn)史(A brief History of the Science of Metals》的著作，詳述了有關(guān)情況。Mehl在哈佛大學(xué)與Sauveur工作過(guò)一段時(shí)間，1927年29歲的Mehl加入了海軍研究實(shí)驗(yàn)室，其位于華盛頓特區(qū)，是世界上最大的實(shí)驗(yàn)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(shuō)明在當(dāng)時(shí)的美國(guó)國(guó)內(nèi)“物理冶金學(xué)”與“冶金學(xué)”已變成同一學(xué)科。

其實(shí)，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(xué)院（Carnegie Institute of Technology）的冶金學(xué)教授，并在那里建立了金屬研究實(shí)驗(yàn)室，那里是創(chuàng)建美國(guó)“新冶金學(xué)”中有決定性影響的幾個(gè)單位之一，今天仍然是一個(gè)杰出的實(shí)驗(yàn)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(xué)的概念，可以這樣說(shuō)，Mehl實(shí)際是材料科學(xué)反對(duì)派的首領(lǐng)。他還猛烈抨擊空位與位錯(cuò)學(xué)說(shuō)，他認(rèn)為這只不過(guò)是物理學(xué)家的泛泛空談，而這些物理學(xué)家實(shí)質(zhì)上是冶金學(xué)的敵人。這種懷疑論的結(jié)果對(duì)他別具一格的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成了很大的影響。Mehl 認(rèn)為冶金學(xué)本身就可以體現(xiàn)所有必須的多樣性變化。他認(rèn)為：“這種到處建立材料科學(xué)與工程（MSE）學(xué)科的趨勢(shì)只不過(guò)是有人為了獲得基金的一個(gè)空談的花招而已。”在當(dāng)今中國(guó)科技部的許多項(xiàng)目申報(bào)中，不少新的學(xué)科也常常被這樣評(píng)價(jià)；這說(shuō)明一種新的學(xué)科要取得認(rèn)同，是需要一個(gè)艱難而長(zhǎng)期的過(guò)程的。

應(yīng)當(dāng)指出，在準(zhǔn)備物理冶金這樣一個(gè)理論基礎(chǔ)的過(guò)程中，Mehl無(wú)疑起到了核心和關(guān)鍵的作用，而這一基礎(chǔ)有益于大大拓寬材料科學(xué)的視野。所以，有時(shí)材料科學(xué)的反對(duì)者或許無(wú)意識(shí)地促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展，就像當(dāng)今的冶金法多晶硅的反對(duì)者一樣。

（未完待續(xù)）