用3D打印技術制造大馬士革刀？如果不是留意到作者的學術頭銜，我絕對不會相信這是一個嚴謹?shù)目蒲许椖?！?jù)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，并用3D打印機模擬大馬士革刀的內部結構，成功“復制”出了大馬士革刀。

用最前沿的網(wǎng)紅科技模擬古法打造刀具……讓我們這些仍然堅持在用傳統(tǒng)工藝手工做刀的刀匠情何以堪？這是真沒打算給我們留飯吃?。〔坏貌徽f，這些科學家們真會玩！

在現(xiàn)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復原大馬士革刀，看來大馬士革刀的粉絲不止我們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(jù)納米研究中心楊懷超博士介紹，最早嘗試用3D打印技術復制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(wǎng)紅技術模擬大馬士革鋼的內部結構，制作一塊兼具硬度和韌性的“絕世刀坯”。

大馬士革鋼原產于中亞的波斯地區(qū)，它是用印度出產的烏茲鋼（一種經過坩堝冶煉，內部均勻分布著許多高硬度晶體的高碳鋼）經過特殊工藝鍛造而成。它的絕妙之處在于，同一塊鋼坯由軟硬不同的兩種或者更多成分構成，這些成分有規(guī)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并能保持刃口長久鋒利。

科學家根據(jù)這個思路，用3D打印完成金屬逐層堆疊的過程，在現(xiàn)代實驗室中模擬出一把“古法大馬士革刀”，并將研究結果發(fā)表在《自然》雜志上?！蹲匀弧冯s志創(chuàng)刊于1869年，是世界上最有名望的科學雜志之一。

物理學家揭示大馬士革刀的微觀秘密

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

我們平時接觸到的各種材料，無一例外是由一個一個的原子構成。原子之間結合的緊密程度，決定著材料的硬度、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(xiàn)代制鋼的一項重要手段。

通常來說，鋼的硬度主要決定于其中的碳元素。在純鐵中，鐵原子呈面心立方或體心立方排列，質地非常柔軟。在加入碳之后，碳和鐵會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于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，鋼的硬度會大幅增加。

我們仔細觀察大馬士革刀，其表面如盤龍云海一樣銀黑花紋，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(lián)想到百煉鋼與繞指柔，也就是我們常說的剛柔并濟。

大馬士革刀上呈現(xiàn)的黑色花紋就是含碳量較低的珠光體，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，它硬度非常高，但是韌性極低。單純用珠光體制成的刀具硬度很低，鈍到削紙都費勁。而單純用滲碳體制作的刀具又會非常脆，遇到較強的沖擊就容易斷裂。把兩者結合在一起，就可以兼具硬度、鋒利度和韌性，剛柔并濟，所向披靡。

古代工匠雖然對微量元素沒有具體的概念，但是憑借經驗很早就認識到軟硬結合可以達到剛柔并濟的道理。他們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?？梢赃@樣說，大馬士革刀上的每一道花紋都凝聚著工匠們的心血與汗水。

3D打印能否還原大馬士革刀

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

用增材制造技術可以輕而易舉地制造出一些結構極其復雜的物件。因為無論想要制造的物件結構多么復雜，只要把它拆解成一片一片的，將數(shù)據(jù)輸入到計算機，就可以用計算機控制熔融狀的材料一層一層往上堆，然后再冷卻固化就可以了。

最早嘗試用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(xié)會，它以量子論創(chuàng)建者馬克斯·普朗克命名，其前身叫做威廉皇帝協(xié)會，相當于德國的中科院。

馬普所的科學家通過激光控制熔融金屬，噴涂出了類似古代大馬士革鋼的微結構。激光用來加熱金屬，并且可以實現(xiàn)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。

科學家制造出來的大馬士革刀有著與傳統(tǒng)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于手工鍛造的大馬士革刀。

現(xiàn)代材料科學的起點：復制大馬士革刀

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(xiàn)出對大馬士革鋼這種奇妙金屬的濃厚興趣，其中一些科學家的名望和成就甚至連中科院與馬普所都望塵莫及。

我們把時間推回到18世紀晚期的歐洲。英國皇家學會會員皮爾森對大馬士革鋼發(fā)生興趣，研究了從印度孟買運來的一些蛋糕形狀的鋼錠，并于1795年在英國皇家學會作了一個報告，第一次認識到這是一種鋼而不是鐵，并且首次使用了“烏茲”（wootz）這個名詞。但是烏茲鋼表面并沒有大馬士革刀所特有的花紋，皮爾森也沒能破解烏茲鋼如何變身為大馬士革鋼的秘密。1804年，冶金學家穆舍特的論文詳細描述了烏茲鋼的外觀，指出它硬度如此之高，因為是高碳鋼的緣故。

1818年，著名的刀具生產商斯托達特搞到了一塊烏茲鋼，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碳以外的元素，同時也分析了一塊英國本地產的鋼樣品作為對比實驗。然后，他試圖在實驗室中通過給鋼加入微量元素來復制這種烏茲鋼，但是失敗了。在他發(fā)表于1819年的文章中，也沒有提到如何把烏茲鋼打造成大馬士革花紋鋼刀。

法拉第在實驗室里建造了一個簡易的煉鋼爐，把英國本地鋼在煉鋼爐中熔化，然后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茲鋼的配方。后來法拉第把實驗報告連同煉制出的幾十塊樣本一起提交給了英國皇家學會。

雖然法拉第沒能替他的老板復制出大馬士革刀，但卻誤打誤撞地開啟了科學界對于合金鋼的研究。鐵匠之子法拉第也因此被譽為世界“合金鋼之父”。后來法拉第的研究興趣轉移到鐵磁性方面，開創(chuàng)了電磁學研究領域，成為世界著名的科學家。

1820年，斯托達特和法拉第聯(lián)合發(fā)表了一篇關于合金鋼的文章，這是第一篇將烏茲鋼和大馬士革花紋鋼聯(lián)系起來的論文，但是論文里只是提到了用烏茲鋼可以制成大馬士革刀（劍），卻忽略了大馬士革刀最重要的鍛造過程和層疊特征。法拉第對烏茲鋼可以直接產生大馬士革花紋的假定，導致了后世對于烏茲鋼的重大誤解，以為只要用烏茲鋼簡單打磨就能制成帶有漂亮花紋的大馬士革刀，這種誤解一直持續(xù)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生產的布拉特鋼，并在其與大馬士革刀花紋關系的基礎上，于1840年左右宣稱復制出了大馬士革刀。但是阿諾索夫的技藝似乎由于原始實驗研究文獻缺失而失傳。

整個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，促進了材料的制備與加工從簡單走向科學，催生出金相學的誕生，并進而發(fā)展成了現(xiàn)代材料科學。