用3D打印技術製造大馬士革刀？如果不是留意到作者的學術頭銜，我絕對不會(hui) 相信這是一個(ge) 嚴(yan) 謹的科研項目！據中科院國家納米研究中心博士楊懷超介紹，科學家已經破解了大馬士革刀性能卓越的奧秘，並用3D打印機模擬大馬士革刀的內(nei) 部結構，成功“複製”出了大馬士革刀。

用最前沿的網紅科技模擬古法打造刀具……讓我們(men) 這些仍然堅持在用傳(chuan) 統工藝手工做刀的刀匠情何以堪？這是真沒打算給我們(men) 留飯吃啊！不得不說，這些科學家們(men) 真會(hui) 玩！

在現代實驗室中打造一把大馬士革刀

不羨連城璧，但求奪命刀。連中科院納米研究中心都在想辦法複原大馬士革刀，看來大馬士革刀的粉絲(si) 不止我們(men) 這些刀迷和手工愛好者，連科學界也抵擋不了絕世寶刀的誘惑。

據納米研究中心楊懷超博士介紹，最早嚐試用3D打印技術複製大馬士革刀的是一群德國科學家。這些科學家希望用最前沿的網紅技術模擬大馬士革鋼的內(nei) 部結構，製作一塊兼具硬度和韌性的“絕世刀坯”。

大馬士革鋼原產(chan) 於(yu) 中亞(ya) 的波斯地區，它是用印度出產(chan) 的烏(wu) 茲(zi) 鋼（一種經過坩堝冶煉，內(nei) 部均勻分布著許多高硬度晶體(ti) 的高碳鋼）經過特殊工藝鍛造而成。它的絕妙之處在於(yu) ，同一塊鋼坯由軟硬不同的兩(liang) 種或者更多成分構成，這些成分有規則地逐層堆疊，一層硬，一層軟，最終打造出的大馬士革刀兼具硬度和韌性並能保持刃口長久鋒利。

科學家根據這個(ge) 思路，用3D打印完成金屬逐層堆疊的過程，在現代實驗室中模擬出一把“古法大馬士革刀”，並將研究結果發表在《自然》雜誌上。《自然》雜誌創刊於(yu) 1869年，是世界上最有名望的科學雜誌之一。

物理學家揭示大馬士革刀的微觀秘密

現代材料科學告訴我們(men) ，金屬內(nei) 部肉眼不可見的微量成分及其排列方式，決(jue) 定著大馬士革刀的命運。

我們(men) 平時接觸到的各種材料，無一例外是由一個(ge) 一個(ge) 的原子構成。原子之間結合的緊密程度，決(jue) 定著材料的硬度、韌性、耐腐蝕性以及光澤等等性能和特征。在鋼鐵中添加各種微量元素是現代製鋼的一項重要手段。

通常來說，鋼的硬度主要決(jue) 定於(yu) 其中的碳元素。在純鐵中，鐵原子呈麵心立方或體(ti) 心立方排列，質地非常柔軟。在加入碳之後，碳和鐵會(hui) 結合成金屬化合物碳化鐵（Fe3C）。鐵和碳之間的結合力要遠遠高於(yu) 鐵原子之間的結合力，碳就像502膠一樣把鐵原子牢牢地粘在一起，因此隨著碳含量的提高，鋼的硬度會(hui) 大幅增加。

我們(men) 仔細觀察大馬士革刀，其表麵如盤龍雲(yun) 海一樣銀黑花紋，就是不同碳含量的材料緊密結合形成的。透過這些花紋，很容易讓人聯想到百煉鋼與(yu) 繞指柔，也就是我們(men) 常說的剛柔並濟。

大馬士革刀上呈現的黑色花紋就是含碳量較低的珠光體(ti) ，它的韌性非常好，但是硬度不高。銀色花紋是含碳量較高的滲碳體(ti) ，它硬度非常高，但是韌性極低。單純用珠光體(ti) 製成的刀具硬度很低，鈍到削紙都費勁。而單純用滲碳體(ti) 製作的刀具又會(hui) 非常脆，遇到較強的衝(chong) 擊就容易斷裂。把兩(liang) 者結合在一起，就可以兼具硬度、鋒利度和韌性，剛柔並濟，所向披靡。

古代工匠雖然對微量元素沒有具體(ti) 的概念，但是憑借經驗很早就認識到軟硬結合可以達到剛柔並濟的道理。他們(men) 通過各種各樣的鑄造以及鍛造工藝，付出大量的勞動，調整軟硬材料的配比以及結合方式，不斷追求更加卓越的刀劍性能。可以這樣說，大馬士革刀上的每一道花紋都凝聚著工匠們(men) 的心血與(yu) 汗水。

3D打印能否還原大馬士革刀

3D打印是一種逐層製造的技術，又稱增材製造技術。通俗來講，3D打印的製造過程是一層一層往上加材料。而傳(chuan) 統的製造過程是一點一點往下減材料，例如傳(chuan) 統的車、銑、刨、磨等等，都是在對材料做減法。

用增材製造技術可以輕而易舉(ju) 地製造出一些結構極其複雜的物件。因為(wei) 無論想要製造的物件結構多麽(me) 複雜，隻要把它拆解成一片一片的，將數據輸入到計算機，就可以用計算機控製熔融狀的材料一層一層往上堆，然後再冷卻固化就可以了。

最早嚐試用3D打印還原大馬士革刀的是德國馬普所的一群科學家。馬普所的全稱是馬克斯·普朗克協會(hui) ，它以量子論創建者馬克斯·普朗克命名，其前身叫做威廉皇帝協會(hui) ，相當於(yu) 德國的中科院。

馬普所的科學家通過激光控製熔融金屬，噴塗出了類似古代大馬士革鋼的微結構。激光用來加熱金屬，並且可以實現準確升溫和降溫，就如同古代工匠的精巧的手工工藝被精密的機器所取代。

科學家製造出來的大馬士革刀有著與(yu) 傳(chuan) 統折疊鍛打大馬士革刀相似的漂亮花紋，它的機械性能也不輸於(yu) 手工鍛造的大馬士革刀。

現代材料科學的起點：複製大馬士革刀

其實早在中科院納米研究中心和德國馬普所之前300多年，科學界就已經表現出對大馬士革鋼這種奇妙金屬的濃厚興(xing) 趣，其中一些科學家的名望和成就甚至連中科院與(yu) 馬普所都望塵莫及。

我們(men) 把時間推回到18世紀晚期的歐洲。英國皇家學會(hui) 會(hui) 員皮爾森對大馬士革鋼發生興(xing) 趣，研究了從(cong) 印度孟買(mai) 運來的一些蛋糕形狀的鋼錠，並於(yu) 1795年在英國皇家學會(hui) 作了一個(ge) 報告，第一次認識到這是一種鋼而不是鐵，並且首次使用了“烏(wu) 茲(zi) ”（wootz）這個(ge) 名詞。但是烏(wu) 茲(zi) 鋼表麵並沒有大馬士革刀所特有的花紋，皮爾森也沒能破解烏(wu) 茲(zi) 鋼如何變身為(wei) 大馬士革鋼的秘密。1804年，冶金學家穆舍特的論文詳細描述了烏(wu) 茲(zi) 鋼的外觀，指出它硬度如此之高，因為(wei) 是高碳鋼的緣故。

1818年，著名的刀具生產(chan) 商斯托達特搞到了一塊烏(wu) 茲(zi) 鋼，交給他的助手法拉第。法拉第檢查了這種鋼中是否含有鐵與(yu) 碳以外的元素，同時也分析了一塊英國本地產(chan) 的鋼樣品作為(wei) 對比實驗。然後，他試圖在實驗室中通過給鋼加入微量元素來複製這種烏(wu) 茲(zi) 鋼，但是失敗了。在他發表於(yu) 1819年的文章中，也沒有提到如何把烏(wu) 茲(zi) 鋼打造成大馬士革花紋鋼刀。

法拉第在實驗室裏建造了一個(ge) 簡易的煉鋼爐，把英國本地鋼在煉鋼爐中熔化，然後依次加入金銀鉑鎳鉻等各種微量元素，再對得到的鋼鐵樣本做性能測試，希望通過這種方式得到烏(wu) 茲(zi) 鋼的配方。後來法拉第把實驗報告連同煉製出的幾十塊樣本一起提交給了英國皇家學會(hui) 。

雖然法拉第沒能替他的老板複製出大馬士革刀，但卻誤打誤撞地開啟了科學界對於(yu) 合金鋼的研究。鐵匠之子法拉第也因此被譽為(wei) 世界“合金鋼之父”。後來法拉第的研究興(xing) 趣轉移到鐵磁性方麵，開創了電磁學研究領域，成為(wei) 世界著名的科學家。

1820年，斯托達特和法拉第聯合發表了一篇關(guan) 於(yu) 合金鋼的文章，這是第一篇將烏(wu) 茲(zi) 鋼和大馬士革花紋鋼聯係起來的論文，但是論文裏隻是提到了用烏(wu) 茲(zi) 鋼可以製成大馬士革刀（劍），卻忽略了大馬士革刀最重要的鍛造過程和層疊特征。法拉第對烏(wu) 茲(zi) 鋼可以直接產(chan) 生大馬士革花紋的假定，導致了後世對於(yu) 烏(wu) 茲(zi) 鋼的重大誤解，以為(wei) 隻要用烏(wu) 茲(zi) 鋼簡單打磨就能製成帶有漂亮花紋的大馬士革刀，這種誤解一直持續到了今天。

阿諾索夫是19世紀俄羅斯著名的冶金學家， 他利用金相顯微鏡研究中亞(ya) 生產(chan) 的布拉特鋼，並在其與(yu) 大馬士革刀花紋關(guan) 係的基礎上，於(yu) 1840年左右宣稱複製出了大馬士革刀。但是阿諾索夫的技藝似乎由於(yu) 原始實驗研究文獻缺失而失傳(chuan) 。

整個(ge) 20世紀，仍有許多科學家孜孜不倦地進行大馬士革刀之謎的研究，或許這也是科學界對絕世寶刀的一種情懷。正如美國著名材料學家史密斯所指出，從(cong) 18世紀開始的對大馬士革刀花紋機理的研究，促進了材料的製備與(yu) 加工從(cong) 簡單走向科學，催生出金相學的誕生，並進而發展成了現代材料科學。