疯狂的金属

施晶晶

看到一排生锈的栏杆，普通人会嫌弃而远离，但王长罡会走近去看看，它的锈迹是黑的还是黄的。这是作为中国科学院金属研究所、腐蚀科学研究员的生活的乐趣。

生锈是金属腐蚀常见的样子，但王长罡知道，就像世界上没有两片完全相同的树叶，世界上也没有完全相同的锈迹。它们都是五花八门的。

放到扫描电镜下来看，锈迹能开出不同样式的“花花草草”，有些长得像矿石，有人会以此作画，那是肉眼看不见的奇异景观。

15年来，王长罡就在研究这些锈迹，更准确地说，他研究的是：金属是怎样腐蚀的？我们怎么办？

很少有人这么问问题，也很少有人知道“腐蚀”这样一门学科，但它很重要。

桥梁支撑轴承上的一个锈蚀，就曾在美国引发吊桥倒塌事故，致46人身亡；2013年，青岛一处输油管道与排水暗渠交汇处，管道因腐蚀破裂，原油泄漏引发爆炸，有62人罹难。

像王长罡这样的科研工作者，就是为防治腐蚀、扼杀这些风险而存在的。

解决问题很重要，研究的过程其实也很有趣。

它的有趣之处在于，工作日常里，王长罡真正要面对的，不是一个肉眼可见的锈斑，而是它内部的微观世界：显微镜下那些细小的粒子、隐秘却又势不可挡的能量转换。

透过显微镜，他是自然的旁观者，见证着一个没有生命的物质，怎样“有生命”地运动和变化着，以及金属如何像人的衰老一样，走向必然腐蚀的终局，捍卫着自然法则的神奇和庄严。

面对一个锃亮的金属水龙头，王长罡会脑补出它的前世和结局。

它原是一块红褐色的赤铁矿，一旦被人类开采出来，就开始了它逆天改命的新旅程。

它在生产线上过五关斩六将，经冶炼、浇铸、成型，人类费上九牛二虎之力，最终把它变成了水龙头的样子。

但成为水龙头的时间，只是赤铁矿漫长人生的一个小片段，一段不过几万小时的短暂服役期。其实，从它为人类诞生的那一刻开始，它就势不可挡地向着它原来的样子变回去。

那股势不可挡的力量，就是腐蚀—水龙头的宿命。

研究了15年的王长罡知道，腐蚀不只是铁的终局，它也写在所有金属的命簿里，腐蚀之后的氧化状态，才是它們能够永久存在的稳定状态。

也许你会问，那常见的不锈钢会腐蚀吗？黄金会不会呢？

也没有例外。会的。

“金属是晶体，在显微镜下放大来看，它的结构是一个个小房间像蜂窝一样挨在一起，蜂窝交界的地方，往往是薄弱的，正是不锈钢的弱点。”王长罡说。

当这一交界处受到腐蚀，肉眼上看，不锈钢还是光亮如新，看不出被破坏的痕迹，但它很容易就断了；在显微镜下，这类腐蚀可能是一道裂纹，就像树干上被斧子凿出了一道疤。

至于黄金白银，出土的金银器文物里，它们黯然失色的样子就是腐蚀的痕迹，除了土壤里的酸和碱毁了它们的容貌，一个同样重要的原因是，金银有杂质，冶炼做不到100%的纯度。

尽管自然条件下，金子高冷不活泼，极难被腐蚀，熬过几十百代的人类是绰绰有余的，不影响它的贵金属价值，但要是碰上了强酸“王水”，金大王也得认栽。

“道高一尺，魔高一丈，腐蚀是无处不在的。”王长罡说。腐蚀是自然的、永恒的，而仅凭人类意志追求永恒，是错误、不现实的想法。

大多数人是嫌弃甚至害怕腐蚀的，也因此忽略了当中这些隐藏的自然奥秘，但王长罡能够抓住它、读懂它。

我们最熟悉的金属腐蚀是生锈，即便它没有生命和意识，也能“说话”。

就像大树年轮的圈数标注着它的树龄一样，不同颜色的锈迹、不同的周围环境，也指向不同的信息。

比如，不是每个金属腐蚀之后都会生锈，即便锈了也不都是一层黄色的痕迹，如果看见黄色的锈迹，首先可以判断它是钢材四大家族当中的碳钢。

如果这排带着黄色锈迹的栏杆离海近，就很正常，那是海洋大气里的氯离子在作怪；如果是在内陆地区，那就要推测周围是不是有化工厂排放不合规，污染了空气；在没有污染的大气里，锈迹的颜色更可能是红褐色的。

这让王长罡的工作看起来有点像侦探。

“生锈其实不一定是坏东西。”王长罡说。

有些锈迹像地上的落叶堆一样疏松，氧气、氯离子就很容易钻进这个迷宫，久久逗留，腐蚀也就更快；可有些锈迹像皮肤一样紧致和稳定，反倒给剩下的铁栏杆穿上一层保护膜，腐蚀就慢了—这是丢车保帅、要里子不要面子的做法。

不以人的意志为转移，这是腐蚀的奇妙世界。

一个疲劳腐蚀的金属螺丝，可能就是一场空难的源头，于是飞机的每一次起落，机务都要里里外外仔细检修，才能保证航班持续安稳。

我们住的高楼，里头的钢筋受氧化腐蚀，体积一天天膨胀，长年累月，附着其上的混凝土也会开胀破裂，因此，房屋需要维护、翻新、重建，才谈得上“安居”。

无论人类社会还是自然世界，稳定都极其重要。

对金属也一样，而腐蚀正好给了它稳定—它腐蚀的过程，也是它走向稳定的旅程。

因此，与其说腐蚀是金属的宿命，不如说，稳定才是它的终极追求。

稳定的目标之下，金属腐蚀遵循着自然规律，发生了许多奇妙、复杂的化学反应。

从红褐色的赤铁矿变成一个水龙头，微观世界里，一个质的飞跃在于，赤铁矿里的氧原子和其他杂质被挤了出来，纯净的铁浴火重生。

但氧原子不甘心就这么被甩了，它时刻琢磨着回到铁当中去，自然界里的其他元素也会看上铁，和它结合，把单身的铁重新变成一块充满杂质的铁矿石—腐蚀就这样开始了。

夏日雨后、清晨白露未晞时，水汽就是腐蚀发生的温床。

这时候，活泼的氧气就奔向一切含铁的设施，它很容易就能抢走铁的电子，各自带上正负不同的电荷。

很快，一只无形的手伸了出来，氧被拽进了铁，成了它的一部分，结合为氧化物，腐蚀就这样完成了。

那只无形的手，之所以最终把氧推进了铁的怀抱，是因为氧对外做功的能量比铁的更高，而“能量高的会往能量更低的趋势发展和变化”。

能量从高向低转变，意味着什么呢？

“能量越低，意味着更稳定。”王长罡说，这是化学界也是自然界的守则，它和水往低处流一样自然，就像山脚比山顶更安全一样。

同样的道理，被人类冶炼加工的金属，之所以不顾人类的挽留意愿、头也不回地接受腐蚀的命运，也是因为氧化的状态，比它单独存在的状态更稳定。

原来，人类发明技术、改造自然，终于把山脚的水运到了山腰上，把赤铁矿炼成了我们需要的坚硬钢铁和工具，我们深信这是文明之光，终究也只是暂时的、不稳定的。

无论是腐蚀所遵循的自然规律，还是腐蚀所酿事故的惨痛后果，给我们的启示是相同的：自然规律，是需要敬畏的，逆转它，是有代价的、不稳定的。

金属真正稳定漫长的时光，就是它腐蚀的样子，做一块安安静静、无人问津的矿石。

你见过蛀牙吗？

别被它表面上的一个不起眼的小黑点迷惑了，拿牙钻往里钻，其实虫牙里头已经蛀成了一个小穴，很深的。细菌钻进这个小黑点，就在里面悄悄搞破坏。

和人一样，金属也会蛀牙，只不过，在金属身上，这个腐蚀现象叫“点蚀”。

有一回，王长罡去给三峡水轮机看病，就遇到了点蚀。

水轮机是三峡重要的发电设备机组，千家万户的灯就是从这里开始亮的。水轮机很大，直径有20多米，主要材料是不锈钢。

当时，他用显微镜，在水轮机叶片上发现了好些小孔洞，这就是“点蚀”。和人类蛀牙上的虫眼一样，这些孔洞就是被重点围攻的缺陷，里头的腐蚀程度比表面更严重。

他们把材料拿到实验室去分析和模拟，才发现它的不锈钢表面的铬含量不够高、分布也不均匀，很容易产生点蚀，再加上三峡水流从高处落下冲击，叶片开裂的风险就很高。

麻烦的不只有这些。

王长罡又发现，孔洞边缘还有类似火焰灼烧过的蓝紫色痕迹，那是名叫“空蚀”留下的痕迹，也是腐蚀的一类。

空蚀是这样产生的：当水流从百米落差处落下，冲击水轮机叶片，砸在这些点蚀孔洞上，水流会突然改变方向，同时产生许多真空的气泡，气泡破裂放出强大能量，就往叶片上烙下灼烧的痕迹，也加剧了对水轮机叶片的腐蚀。

点蚀、水流冲击、空蚀的三重攻势下，服役的水轮机很不容易。“如果一个叶片（腐蚀）掉了飞出去，到处撞击整个机组，是非常大的事故。”因此，设备检修以及和王长罡一样的“金属医生”，就显得格外重要。

和人一样，金属有缺陷、会疲劳，也会生病，腐蚀是一大病因。

在科研中，王长罡的一部分工作的确和医生很像，只是他诊治的对象是一个个金属疙瘩—它小到工业企业设备，大到三峡水轮机叶片、核潜艇部件—但他给金属看病的手段，和人类医生看病有相通的地方。

“医生看病往往问有什么症状，中医还常常会问生活习惯，我们都问。”王长罡说。

生活习惯，就是它的服役环境，比如是不是过度加班了，还是太长时间没用了。病症自然是看金属部件运行有什么异常，进而给这些金属疙瘩开一系列检查单。

找到问题所在，王长罡会开出一个诊断报告，提供治疗方案，它可能是一份健康的运行报告，也可能是一份材料采购报告，如果问题太严重，就需要手术“换设备”—这是一份把风险扼杀在摇篮里的专业工作。

在腐蚀和微观世界里，王长罡看见了自然，但他没有忘记关心人类。

“研究腐蚀，不单是研究腐蚀本身，更多是要研究怎么为人类防控腐蚀。”王长罡说。

人类的确有因势利导、化腐朽为神奇的创造力。防治金属腐蚀的同时，我们也在利用腐蚀，创造价值。

生活中常见的“过冬神器”暖宝宝，就是利用了铁粉易被氧气腐蚀，反应过程中释放出的热量。

更有技术含量的，是下面这样一枚可以自己消失的钉子。

骨科手术中要用到骨钉，钛合金、不锈钢是常见的材料。这些骨钉要是长期留在身体里不取出，在体液的腐蚀下，会不断有金属离子溶出，造成健康隐患。为此，骨折病人往往不得不接受二次手术取骨钉，增加了额外的痛苦和负担。

科学家早就想到一劳永逸的思路：如果病人的骨头长好之后，骨钉能自己消失就好了。

千挑万选，“镁”成了被选中的最佳金属。

这两年，国内也研发出了可降解的医用镁合金骨钉，临床试验成果也已经发表在了权威期刊上。

这里的“降解”，就是金属腐蚀的原理，它利用了镁和水的化学反应。

“镁很活泼，身体里的水就可以驱动它的腐蚀，释放出的镁离子正好是人体需要的微量元素，氢气也会被代谢掉。”王长罡解释，通过控制镁的表面涂层、金属合金元素，设计骨钉的寿命，骨头愈合之后，让它自己在人体里腐蚀消失。

上海交通大学材料科学与工程学院教授袁广银的研究团队，就对医用镁骨钉做了细致的改进，公布了临床试验成果，他们还对比了材料成本。“（镁骨钉）成本同其他骨内材料器械相当，甚至比鈦合金骨钉还低。”

人类利用金属腐蚀的创造力，不会只局限在镁骨钉，毕竟创造工具、改进材料、改造自然，人类从未停下脚步。

从冶金到防腐蚀，从青铜器、发动机，到润滑油、镁骨钉，这些技术和产物，是我们讲不完的文明史。

但这篇小小的文章，努力想让你看见的，其实只是那个既近又远的微观世界：

比如，金属不是铁板一块的死物，每个金属有它动静不一的脾性，组成它的粒子总在隐秘又笃定地活动着。

腐蚀也不像它表面看起来那样丑陋，它有具体的颜色、丰富的形态，更伴随着复杂的物质交换、确切的能量转化、无法超越的自然法则。

金属腐蚀的神奇和精彩，当然不是一个简洁的化学反应式就能囊括的。

王长罡，这位“85后”博士、研究员说，他研究金属腐蚀的起点，大概是从小时候向大人提问“人为什么活着”开始的，因为后来他觉着，自己似乎能从金属腐蚀身上找到一些线索。

早前演讲里，他有过一句总结：

一个水龙头经过百千万亿年的等待，经过百炼成钢的浴火重生，换来的仅仅是几万个小时的稳定服役，“腐蚀人”也致力于将每一个金属的短暂生命发挥到极致，向死而生。

这当然也不是一个简洁的化学反应式就能囊括的。