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《展望秋季》凱達格蘭族 2000年前學會煉鐵 |
2006展望演講秋季系列第七場由東華大學材料系助理教授陳怡嘉主講「干將莫邪的奈米科技」，用現代科學解釋古人鑄劍，吸引全場觀眾聆聽。 |
干將、莫邪、湛廬、魚腸、巨闕都是春秋時代的名劍，削鐵如泥，這些劍其實是用現在最紅火的「奈米技術」鍛造出來的，兩千多年前的古人，究竟是如何做到的？
由國科會與聯合報、公共電視、科學人雜誌、中廣公司、News98合辦，中央大學理學院科學教育中心承辦的「2006展望演講秋季系列—建構21世紀人類社會的尖端工程」，第七場由東華大學材料系助理教授陳怡嘉主講「干將莫邪的奈米科技」，用現代科學解釋古人鑄劍，充滿趣味。
陳怡嘉指出，歷史就是材料科學發展史，在舊石器時代的早期，人類與野獸競爭，因為學會使用工具而打敗野獸，成為萬物之靈；晚期的尼安德塔人已會用石頭製造刀劍，但不如我們現代人祖先做得精良，最後族群消失。
進入新石器時代後，農業出現使人類不必跟野獸拚命，生活變好，開始發展古文明，而來不及進入農業時代的族群就沒落了。銅器可能是4000多年前的人類燒窯時偶爾發現金屬液體流出，冷卻後非常堅固，拿來當成武器保護人民或往外擴展領土，於是朝代、國家概念出現。
歐冶子煉劍 接近福州
兩千多年前人類進入鐵器時代，台灣雖有海峽隔絕，使用鐵器時間也差不多，陳怡嘉認為，顯然是原住民的航海技術，比我們想像的更發達，從大陸引進煉鐵技術，當時會煉鐵的凱達格蘭族因此變得強盛。
當時大陸最有名的事件，就是吳王闔閭用伍子胥為將，差點滅掉楚國；這時長江流域的楚、吳、越都很興盛，為何這些「南蠻」能和黃河流域的中原國家分庭抗禮？可能就是因為煉鐵技術的發展。
史書上記載，闔閭請干將、莫邪鑄劍，但鐵塊不熔化，丟頭髮、指甲到爐中才熔化；後來吳國另一把名劍「湛廬」流落到楚國，闔閭以此為名出兵，真正原因是楚王要請
歐冶子是越國人，煉劍的地方接近福州，陳怡嘉說，可能凱達格蘭族的祖先就認識歐冶子。
要先知道劍怎麼壞，堵住壞的原因，就變成很強的劍。陳怡嘉表示，金屬的原子可想像為球，排列很規則，一層一層的；每一顆上層球，不會剛好放在一顆下層球的正上方，而是放在3顆下層球構成的中間凹洞。
當上層球整層往旁邊滑移，巨觀看來就是形變。若某顆上層球被推向某一方向滑移時，並沒有越過3顆下層球其中任一顆的正上方，當力量消失，這顆上層球會落回原位，就像布丁會彈回原來形狀；但若越過了，力量消失時，它會落在另外一個由3顆下層球構成凹洞，就是永久形變。
降伏強度 可用數學算
這個「剛好越過某顆下層球正上方」的力量，稱為「降伏強度」，可以用數學算出，但科學家計算出鎂的降伏強度，竟然是實際測量到的9000倍，也就是說，鎂比科學家所想像的軟太多。
原來是因為「差排滑移」，就是上層球並非整片一起往某個方向滑移，而是從被推的一側，像波浪一樣一排一排往另一側擠過去，這樣只要很小力量就能造成整片滑移。
消除差排滑移就能讓金屬強度變強，達到科學家計算出的理論降伏強度。
奈米級晶粒有另一好處，就是根本不容易出現差排，陳怡嘉說，差排就像是1排座位多了1個人，若20個座位坐21個人，不會覺得擁擠，但若3個座位要坐4個人，就太擠了，不容易發生。
如何應用到煉劍上？鐵的原子排列方式，在
煉劍加碳 傳說中頭髮
另外一種強化方式為「析出強化」，古人的技術無法使熔點太高的純鐵熔化，必須加入碳，也就是傳說中的頭髮、指甲；但這種鐵從高溫降回低溫時，很脆的含碳鐵（雪明碳鐵）會從很軟的純鐵（肥粒鐵）中析出，成為「波來鐵」，其中的雪明碳鐵會連在一起，形成片狀結構，片與片之間就很容易劈裂。
雪明碳鐵會在
麻田散鐵很脆，雖硬卻容易折斷，還需要「回火」，就是升溫到
陳怡嘉說，古人是靠「嘗試錯誤」學會鑄劍，現代人則已應用奈米技術，製造強度夠強的鎂合金或鎂鋁合金，利用重量很輕的特性減少能源消耗，像三C產品、汽車都已在使用。
李名揚【
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