網紅技術3D列印，一直在帶給我們驚喜，除了複雜的形狀，在材料性能方面亦展現出巨大的想像空間。
作者 | 楊懷超 納米材料博士
編輯 | 龍浩 高佩雯
不求連城璧，只求傷人劍。一把稱手兵器是古代大俠標配。這種古老的東西，現在和最新科技結合到了一起。
最近，來自德國的科學家，用3D列印技術造出了一坨「絕世鋼坯」，靈感來自18世紀之前的古法制鋼工藝——大馬士革鋼。這種源於古印度的秘技，可以將鐵鑄成兼具硬度和韌性的好鋼，在當時的冷兵器時代被奉為神器。
而它的秘訣，就在於不同成分鋼鐵的逐層堆疊，一層硬、一層韌，最終造出的兵器可長期保持刃口鋒利。3D列印跟隨這個思路，直接生產出了失傳已久的大馬士革鋼！
研究詳情發表在6月24日的《自然》雜誌。
名動江湖的古法制鋼
中國古代有越王勾踐劍，英格蘭有石中劍和斷鋼劍，日本有天叢雲劍，而伊斯蘭國度，有令歐洲人羨而不得的大馬士革鋼刀劍。
這種來自東方的神奇材料，傳說曾讓12世紀東徵穆斯林的英國十字軍望而生畏，並熱烈追逐。在13世紀讓埃及的馬穆魯克騎兵以少勝多，擊退超二倍蒙古兵。拿破崙曾評價：「法國步兵配上馬穆魯克騎兵天下無敵。」
一把古代大馬士革刀。冷兵器時代，鑄鐵術直接影響戰爭成敗。|來自網絡
但是這一切在18世紀結束。法國遠徵的火炮打敗了這些在中世紀憑藉駿馬寶刀戰無不勝的東方勇士。大馬士革鋼原產地印度也被英國人侵佔，鍛造技術在18世紀中葉神秘失傳。
據早前《自然》雜誌一項研究推測，技術失傳很可能是因為鍛造大馬士革鋼的原材料成分發生了變化，礦石中的一種或數種微量成分消失了。原來用於取材的礦脈被採盡，鐵匠們憑眼睛無法察覺這樣的變化，但是再也造不出之前的大馬士革鋼了。
「點石成金」的微成分
為什麼肉眼不可見的微量成分，就能決定大馬士革鋼的命運？這從現代科學來講，很好解釋。
我們日常所見的材料，無一不是由一個個原子組成。原子之間結合的緊密程度，決定了材料的硬度、韌性和光澤，等等。現代制鋼也經常會為了得到特定性能，添加一些額外成分。
在鋼材中，用來調節硬度的通常是碳元素。在純鐵中，鐵原子呈面心立方或體心立方排列，質地十分柔軟。但加入碳之後，碳和鐵會結合形成金屬化合物碳化鐵（Fe3C）。因為鐵和碳之間結合力遠高於鐵原子之間結合力，所以硬度會大為增強。
細看大馬士革鋼，會發現其表面有著如雲海一般夢幻的銀黑花紋。這些花紋就是碳含量不同所致。也生動表現了什麼叫剛柔結合。
其中黑色花紋就是含碳量較低（0.8%）的珠光體（現代煉鋼也這麼叫）。它韌性非常好，但是硬度不高，也就是軟。銀色花紋是含碳量較高（6.7%）的滲碳體，它硬度要高得多，然而韌性幾乎為零，也就是脆。
這兩種成分單獨做刀劍，都帥不過三秒，但是結合在一起，卻是鋒利度和韌性兼具，所向披靡。
典型的大馬士革刀及其表面花紋。|來自網絡
古人是怎樣做到這種精細調控的，很難得知，無外乎反覆鍛打和升降溫。我國越王勾踐劍和日本刀劍，用的也都是這種剛柔結合的結構設計。它們代表古法冶金的高峰。
3D列印行不行
3D列印是近年被熱炒的網紅技術，一度被稱為「第四次工業革命」，反覆被資本熱捧，又被冷落，待遇好似過山車。但它確實有傳統製造技術難以企及的好處。
和傳統技術不同，它是一種逐層製造技術，又稱增材製造技術。字面意思，就是製造過程中材料是往上加的。而傳統的減材製造技術，如車、銑、刨、磨等，材料是往下減的。
這使得它能夠輕而易舉地製造一些具有複雜結構的物件。因為使用增材技術，無論多麼複雜的模型，只要將它「拆解」成薄片，使用計算機控制，將熔融狀的材料（或其他可以進行薄片成型的材料）一層一層往上堆，就可以做出來。
計算機控制3D列印成型過程（點擊看動圖） |來自網絡
比如下面這對棋子，西洋棋的王和後。左邊的形狀相對簡單，用傳統減材技術，拿兩根圓柱用車床沿著外輪廓劃一圈，就算完事。但右邊的那一對，就難辦了。除非大神級工匠，一般人做不出來，造價也會相當昂貴。
普通棋子（左）和3D列印棋子（右） | 作者供圖
但用3D列印技術，價格就很公道了。因為只要把熔融的材料從底部開始，一層一層往上塗抹，再冷卻固化，就可以完成。成本和列印一對簡單的棋子相差不多。
這種不受複雜度限制、極其靈活的製造方式，極大拓展了設計師的思路。從觀賞性的模型，到工業應用，不一而足。近期風靡的「神筆馬良」，就讓不少人大開眼界。
3D列印工藝品（上）和3D列印筆作品（中下）。| 素材來自網絡
但琳琅滿目的設計，也讓人產生了審美疲勞。既然3D列印如此簡單，那列印出多複雜的結構，都不足為奇。
但萬萬沒想到，科學家將這種特性，延伸到了材料性能調控領域，為3D列印賦予了全新想像空間。
用網紅技術列印古法鋼坯
在該新研究中，來自德國馬普所的科學家，通過雷射控制熔融金屬，噴塗出了類似古代大馬士革鋼的微結構。雷射用來加熱金屬，並且可以實現準確升溫和降溫，就像古代工匠的手法被精密的機器取代。
實驗得到了漂亮的花紋，說明做出的鋼坯確實有大馬士革鋼的「味道」。並且，它的機械性能比傳說中的大馬士革鋼還要好。
3D列印的大馬士革鋼。由計算機控制高速冷卻和循環再加熱等熱處理過程，實現特定合金微結構。 | Max Planck Society Frank Vinken
這塊鋼具有1300MPa的拉伸強度和10％的伸長率。MPa是個壓強單位，相當於10個大氣壓。所以這塊鋼的拉伸強度達到1.3萬個大氣壓。
一般普通鋼筋的拉伸強度在370~630MPa之間，這塊鋼的抗拉能力是普通鋼材的2~3倍。按照普通成年男子極限硬拉力70kg計算，如果想把一根8毫米直徑的3D列印鋼筋拉斷，大約需要95位男士齊上陣。
如果怕站不下，還可以換成世界第一大力士，只需要14位就夠了。但是這樣的大力士，地球上只有一位。
其實，不僅僅是鋼材料，鈦合金也可以通過3D列印形成精細結構，使得其抗彎強度提高25%。
當然，這是另外一項研究，時間更早一些，當時也曾引起轟動。美國因此做倒閉了好幾家公司，後來我國王華明教授做了出來，並因此評上了院士。
更多應用，更多想像
仰賴精準的數位化控制，3D列印不僅能提高鋼材機械性能，其強大的微結構控制能力，也已被應用於更多領域。甚至因為不用做複雜的金屬熱處理，在其他領域早已大放異彩。
例如，利用3D列印加工的光子晶體，可以對某些特定的光進行吸收，以及提高二極體的發光效率，未來還可以用在智能皮膚上，這種皮膚可以像變色龍一樣，隨著環境而改變顏色。
利用3D列印技術還可以直接在直徑不到200μm（約為頭髮絲粗細）的光纖頂端製造內窺鏡，精密程度嘆為觀止。
在光纖頂端製造內窺鏡。|來自網絡
此外，它還可以應用到生物仿真領域，比如，利用3D列印技術模擬麥芒的結構，實現高效的霧水收集，有望應用於液滴傳輸、藥物運輸、細胞牽引、海水淡化等科學技術領域。
還有3D列印的微流體晶片，可以實現低成本的快速微生物或者細胞檢測。
雖然資本偶爾會唱衰3D列印，但是在科技領域，可以說，它一直是熱門。
相關論文：
Philipp Kürnsteiner, Markus Benjamin Wilms, AndreasWeisheit, High-strength Damascus steel by additive manufacturing, Nature,582: 515-519, 2020.
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