用“铁”书写的传奇

苏更林

铁这种古老的金属无论从其生产的数量到应用的规模，都堪称各种金属材料之首，难怪被人们誉为“金属之王”。有人认为，钢铁的辉煌已经过去。事实并非如此，因为铁元素的神秘特质为其提供了广阔的应用前景。让我们一起走进铁的世界，从地磁产生、生命色素、钢铁工程、钢铁文化以及尖端科技等方面一睹铁的风采。

比利时布鲁塞尔市海瑟尔公园内的“铁原子塔”，其设计构思是将金属铁原子模型放大1650亿倍，9颗直径18米的圆球代表9个铁原子

铁与磁的“缘分”

我国是世界上最早认识磁现象的国家之一，早在公元前4世纪左右成书的《管子》中，就有了“上有慈石者，其下有铜金”的记载，这是我国关于磁现象的最早的文字记载。在东汉以前的古籍中，“磁”一直是写成“慈”的。到了公元前3世纪，在《吕氏春秋》中已经有了“慈石召铁，或引之也”的记载。这说明我国古代劳动人民在很早以前就知道用磁石来找铁矿了。

由于认识到了磁现象，所以古人在许多场合应用了磁现象的独特性质。比如中医的“五石散”，磁石就是其中的重要成分。另外还有传说，秦始皇在建造阿房宫时就使用了一个磁石门，只要有人带着铁器进宫就会被磁石门牢牢地吸住，因此可以防止刺客进入宫中。

人类赖以生存的地球就是一个巨大的磁体，稳定的地磁场对地球生物是一个“保护伞”，阻挡了来自太空的宇宙射线的侵袭。在很早以前人们就知道利用地磁了。指南针是我国古代劳动人民的一项伟大的科技发明，也是地磁利用史上的最光辉成就。

窥视生命的“天书”

动物的血液为什么多是红色的？原来这是因为血液中含有血红素的缘故，而血红素这种化合物的核心元素就是铁，这是大自然义无反顾的选择。

铁是人体内极其重要的微量元素之一，一个正常的成年人全身含有3克多铁，人体缺铁会引起贫血症。人体血液中的血红蛋白是血红素与蛋白质相结合的产物，其主要功能就是运载氧气。据实验，1克血红蛋白在0℃和1个大气压条件下可以吸收1.35升氧气，从而结合成为氧合血红蛋白，由血液从肺部输送到机体的各个组织中，再分解为血红蛋白和氧气，以维持机体组织的新陈代谢。

有趣的是，自然界生命的色素具有内在的统一性。比如存在于血液中的血红素，与存在于植物叶片叶绿体中的叶绿素在结构上具有惊人的相似性。研究认为，血红素和叶绿素竟奇迹般地同属于吡咯色素这个大家族，构成了吡咯色素的两大天然类别。

它们在结构上的区别主要在于环状结构的侧基和结合的金属不同，血红素是铁卟啉化合物，和蛋白质相结合成为血红蛋白;叶绿素是镁卟啉化合物，和蛋白质相结合成为叶绿体。这种相似性揭示了自然界动植物在渊源上具有的某些联系，并可能在生命色素中隐藏有许多不为人知的秘密。

金属之王的“丰碑”

铁元素在地壳中的含量极其丰富，大约为5.5%，为仅次于铝的金属元素。但是，在自然界却很难找到游离的铁（纯铁）。这是因为自然界的铁一般是以氧化物或硫化物的形式存在的，如磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿等。

纳米比亚的戈巴陨铁重约60吨，是目前世界上已知最大的铁陨石

人类在5000多年前就开始用铁了，但那时人类还没有掌握铁的冶炼技术。根据考古学家的考证，人类最早使用的铁取自太空铁陨石。铁陨石的主要成分为铁，又被称为“陨铁”，同时含有钴和镍。在古埃及人看来，陨石是上帝赐予人类的“天石”，将其视为珍宝。20世纪70年代，在河北省藁城县出土了一把商代的青铜钺，年代大约在公元前14世纪左右。青铜钺上有铁质刀刃，出土时已全部锈成氧化铁，并含有2.5%的氧化镍和0.24%的氧化钴。科学家认为，这把青铜钺上的铁质刀刃使用的便是陨铁。

尽管地壳中含有极其丰富的铁元素，但由于铁的熔点（1539℃）很高，明显高于铜的熔点（1083℃），还原铁要比还原铜难得多，因此铜器时代先于铁器时代。大约在公元前1500年左右，冶铁业开始在古埃及、两河流域等地兴起。我国的冶铁业大约兴起于西周时期，而开始使用铁制工具则是在春秋时期。到了明朝，我国铁的年产量高达4.5万吨，位居世界第一。由于铁制品非常坚硬，取代了铜来作为制造兵器和工具的主要材料。

铁和钢也是两个不同的概念，主要区别在碳的含量上。一般把含碳量小于0.2%的铁合金叫纯铁，把含碳量大于2.0%的铁合金叫生铁，而把含碳量介于0.2%～2.0%的铁合金叫钢。它们在性能方面也存在显著的差别，如生铁性脆而硬，没有韧性，不能锻造，而能铸造;而钢性韧而硬，韧性很好，适于锻铸轧等加工。钢铁作为人类社会生产和生活的重要物质资源，始终是国家经济实力和科技水平的重要标志。目前，我国钢产量已重回世界首位。

与时俱进的“铁文化”

在世界工业革命的背景下，应运而生的“机器文明”就是以钢铁的应用为代表的，不仅极大地提升了劳动效率，而且也让人们更多地享受到了钢铁文明的恩惠。用7000吨钢铁建成的埃菲尔铁塔，一改几千年来的石构建筑传统，促成了现代建筑的诞生。埃菲尔铁塔不仅昭示了当时钢铁工业的技术成果，而且也反映了建筑结构科学和施工技术发展的水平。

埃菲尔铁塔屹立在巴黎市中心的塞纳河畔，高达320多米，相当于100层楼高，是当时世界上第一座钢铁结构的高塔。埃菲尔铁塔采用交错式结构，用4条带有混凝土水泥台基的铁柱支撑着高耸入云的塔身，并使用了1500多根巨型预制梁架、150万颗铆钉和12000个钢铁铸件。埃菲尔铁塔向世人展示了钢结构的巨大建筑能力，无疑是世界建筑史上的一个里程碑。

“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场，它采用了世界上独一无二的钢结构工程，使用的是为其量身定制的国产Q460高强钢板。那么，什么是Q460钢呢？原来，Q460钢是一种低合金高强度钢。其中，Q代表钢材的强度，460代表460兆帕。Q460的含义是钢材受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般的钢材大。

“鸟巢”用独特的钢铁结构传达了“亲近自然”的时代理念，从而把“铁文化”升华到了一个崭新的高度。“鸟巢”不仅是一座独特的具有历史意义的标志性建筑，而且也为21世纪的世界建筑发展提供了一个历史见证。

超导走进“铁时代”

科学家把超导体称为当代科学的“明珠”，因此吸引了世界顶级科学家为之不懈努力。我国科学家在铁基超导领域取得了重大突破，为超导材料的广泛应用开辟了广阔前景，标志着超导技术进入了“铁时代”。

超导性是物质处于某种特殊状态下的导电行为，即物质在某一温度下电子在输运过程中不存在任何电阻，这个温度就被称为是“转变温度”。 早在1911年荷兰物理学家就在实验室里首次发现汞在4.2K（约合268.8℃）下出现了超导性能，并把这种导体的“零电阻效应”称为超导态。此后，科学家们一直在致力于探索高临界温度的超导材料。但由于科学家们始终把目光锁定在金属材料上，因而一直没有突破。直到1930年，科学家发现了一种化合物——氧化铝在15K的温度下能产生超导性，科学家的目光从此豁然开朗。

此后，科学家相继发现了一系列具有超导性的化合物。1986年，瑞士物理学家首先发现了铜氧化物的超导性，并因此获得了诺贝尔物理学奖。不过，20年来超导体一直局限在铜基材料上。由于铜基材料稀缺昂贵，制造低温条件难度大，因此超导技术难于被推广应用。

2006年，日本科学家发现了铁基材料在26K温度下的超导性，这一发现让全世界的科学家为之振奋。然而，高温超导材料的形成机理一直是国际公认的难题。

我国科学家通过采用脉冲强磁场等极端实验条件，极大地延伸了铁基超导材料的温度—磁场相图的研究范围，并发现了一个令人惊异的现象，即铁基超导材料具有“各向同性”的特征，这是首次在二维层状的超导体中发现了超导态的各向同性，为揭示铁基超导材料的形成机理提供了重要的物理信息。铁基超导的发现揭示了高温超导存在于其他更多材料的可能性，因而为未来的超导探索带来了新的希望。

铁基超导体作为继铜基超导体之后的第二大高温超导家族，具备更有潜力的应用价值。此后，新的铁砷化物和铁硒化物等铁基超导体系不断被发现，如镧-铁-砷-氧、钡-铁-砷、锂-铁-砷、铁-硒等，这些材料几乎在所有的原子位置都可以进行不同的掺杂而获得超导电性。我国科学家发现的铁硒类新型高温超导材料，其超导转变温度高达40K以上。有科学家预测，铁基超导家族是目前发现的最庞大的超导家族，其成员数目粗略估计有3000多种。

【责任编辑】庞  云