古瓷中的科學(xué)智慧

賽先生

中國最早發(fā)現(xiàn)的陶器位于江西萬年仙人洞遺址，已有8 800年的歷史。最早發(fā)現(xiàn)的原始瓷器出現(xiàn)在商周時(shí)期，距今已經(jīng)有4 000多年。

在古陶瓷的生產(chǎn)中，我們祖先創(chuàng)造出了原始瓷器、青瓷、白瓷、青花瓷等，這些種類繁多、琳瑯滿目的瓷器，給世界帶來了一個(gè)又一個(gè)驚喜。古陶瓷中究竟蘊(yùn)藏著怎樣的智慧？它們經(jīng)歷了怎樣的科學(xué)發(fā)展過程走到了今天？這些科學(xué)奧秘能否造福今天的生活？

古瓷“窯變”暗藏當(dāng)今科研熱點(diǎn)

簡單來說， “窯變”就是古代工匠按照傳統(tǒng)的配方進(jìn)行陶瓷燒制，但是燒出來的某些陶瓷與以往的不一樣。

古人對窯變有很多的記載，如《清波雜志）說：“饒州景德鎮(zhèn)，大觀間有窯變，色紅如朱砂。物反常為妖，窯戶亟碎之。”

久而久之，窯戶們發(fā)現(xiàn)窯變瓷器形態(tài)極美，或如燦爛云霞，或如春花秋云，或如大海怒濤，或如萬馬奔騰，可作為藝術(shù)瓷釉為人們所欣賞。如宋代河南禹縣鈞窯生產(chǎn)的銅紅窯變，可謂變幻莫測、鬼斧神工。

窯變是瓷器在燒制中產(chǎn)生的不確定性產(chǎn)物，有些陶瓷的顏色十分炫目，而且古代工匠似乎也無法控制這種情況的發(fā)生。為什么會出現(xiàn)這種窯變情況，當(dāng)時(shí)的人沒有能力去解開謎團(tuán)，其形成機(jī)理長期以來缺乏研究。

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員、上海大學(xué)教授羅宏杰介紹，事實(shí)上，古陶瓷窯變的核心是釉顏色的變化。所謂的釉，就是陶瓷制品表面的無色或有色的玻璃質(zhì)薄層，一般是將各種原料按一定比例配合，經(jīng)過研磨制成釉漿，施于坯體表面，經(jīng)一定溫度煅燒而成。但是在高溫下，釉內(nèi)部會發(fā)生一些結(jié)構(gòu)變化，這是產(chǎn)生窯變的根本原因。

這種變化是一種分相變化，之前的釉體是透明均一的，但是在一定高溫和外部條件下，釉體內(nèi)會分出許多小團(tuán)簇，就相當(dāng)于水中出現(xiàn)了大量的油滴，并且均勻地混合在一起，這會使得釉內(nèi)部的化學(xué)組成進(jìn)行重新分配。當(dāng)分相的單元在空間規(guī)則或近規(guī)則排布時(shí)，就形成了當(dāng)今科技界研究熱點(diǎn)之一的光子晶體或非晶光子晶體材料。

光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體。羅宏杰介紹，光子晶體具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個(gè)波段的光通過而阻止其他波長的光。通俗來說，也就是通過結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理著色，物理著色和化學(xué)著色劑無關(guān)，單純和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，在特定的結(jié)構(gòu)中，有些波長的光被完全吸收了，有些波長的光被加強(qiáng)了。

這種現(xiàn)象在自然界中也經(jīng)常出現(xiàn)，比如我們會發(fā)現(xiàn)有些鳥特別漂亮，但如果單單觀察它的一根羽毛，我們會發(fā)現(xiàn)并沒有什么特別之處，產(chǎn)生艷麗之色的其實(shí)是烏羽毛上特殊的自然光子晶體結(jié)構(gòu)。

古陶瓷的窯變顏色，其實(shí)就是光線進(jìn)入陶瓷光子晶體、非晶光子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色和釉中化學(xué)元素著色的復(fù)合體。在產(chǎn)業(yè)中有諸多應(yīng)用

羅宏杰領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)成功利用古陶瓷分相一析晶及結(jié)構(gòu)呈色原理，研發(fā)了低溫快燒自生分相一微晶乳濁釉、礦渣仿古窯變瓷釉，以及由Si02等微球自組裝形成的光子或非晶光子晶體色料，所開發(fā)的技術(shù)已成功應(yīng)用于現(xiàn)代瓷釉生產(chǎn)中，古為今用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

目前，羅宏杰和陜西科技大學(xué)的同事正在從事非晶光子晶體色料的研究工作，這種色料是不需要著色劑的特殊色料，不但可以作為傳統(tǒng)陶瓷的裝飾色料，而且比傳統(tǒng)色料具有更好的視覺效果。同時(shí)，他還和中國科學(xué)院上海硅酸鹽所研究團(tuán)隊(duì)利用瓷釉分相原理，開發(fā)無須乳濁劑的乳濁釉。

乳濁現(xiàn)象在我們?nèi)粘Ｉ钪泻艹Ｒ姡热缗Ｄ叹统尸F(xiàn)一種乳濁現(xiàn)象，我們的眼睛無法透過這一層層乳液，看到液體的底部。而我們?nèi)粘Ｓ玫南茨樑琛⑾词珠g中的臺盆和坐便器之所以看上去潔白干凈，也是利用了乳濁原理，生產(chǎn)企業(yè)會在陶瓷透明釉中加入很多硅酸鋯顆粒，攪和均勻后，硅酸鋯就讓透明釉產(chǎn)生了乳濁現(xiàn)象，蓋住了底色中不太好看的陶瓷本色。

硅酸鋯的原砂為鋯英石，在中國這種原料比較稀缺，我國高檔硅酸鋯的原砂主要為進(jìn)口的澳洲優(yōu)質(zhì)鋯英砂，有些科學(xué)家還認(rèn)為硅酸鋯有一定的放射性。

羅宏杰的團(tuán)隊(duì)利用古陶瓷中獲得的特殊結(jié)構(gòu)模式，調(diào)整玻璃的結(jié)構(gòu)和成分，以強(qiáng)化瓷釉分相結(jié)構(gòu)中的界面折射率差，產(chǎn)生可以替代硅酸鋯的異相顆粒，產(chǎn)生相似的乳濁效果。目前，該項(xiàng)成果已經(jīng)在很多企業(yè)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。古陶瓷是潛在的寶庫

之所以能在產(chǎn)業(yè)界獲得如此重要的技術(shù)突破，和羅宏杰團(tuán)隊(duì)幾十年來傾力打造古陶瓷的大數(shù)據(jù)庫有緊密關(guān)聯(lián)。

在對古陶瓷的研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)、不同時(shí)代、不同窯口的古陶瓷具有不同的特點(diǎn)。從20世紀(jì)80年代開始，他們就著手建立中國古陶瓷標(biāo)準(zhǔn)的科技譜、古陶瓷綜合斷代斷源分析方法、鑒定的規(guī)范體系。這套綜合分析方法包括研究陶瓷的化學(xué)組分、顯微結(jié)構(gòu)、燒成溫度、光譜信息、器型結(jié)構(gòu)和顏色。在鑒定中還注意保存古陶瓷碎片，這些古陶瓷碎片都來自全國各地的考古發(fā)掘團(tuán)隊(duì)。這樣的研究模式可以讓古陶瓷研究更加客觀化和科學(xué)化，同時(shí)為后續(xù)源源不斷出現(xiàn)的新技術(shù)應(yīng)用奠定了研究樣本基礎(chǔ)。

20世紀(jì)90年代初，羅宏杰團(tuán)隊(duì)專門建立了針對古陶瓷的多元統(tǒng)計(jì)分析軟件，利用古陶瓷大數(shù)據(jù)庫內(nèi)的大量樣本，開展更加深入的研究工作。他們在研究中發(fā)現(xiàn)了一系列中國古陶瓷發(fā)展演變的規(guī)律，窯變機(jī)理的應(yīng)用是其中的重大應(yīng)用。

今天，他的團(tuán)隊(duì)還在致力做更大樣本、更多信息的古陶瓷數(shù)據(jù)庫，并致力數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)的建立，以幫助全國更多單位在一個(gè)語境下共享、共用數(shù)據(jù)庫，打破數(shù)據(jù)“干島湖”，為大數(shù)據(jù)的應(yīng)用鋪平道路。

未來的古陶瓷鑒定的發(fā)展路徑可能和中醫(yī)現(xiàn)代化相似。羅宏杰說，中醫(yī)原來有號脈、觀相、看舌苔等方法，現(xiàn)在中醫(yī)發(fā)展了數(shù)字化模式，將中醫(yī)看病的各個(gè)過程用儀器和參數(shù)表達(dá)出來。未來，古陶瓷鑒定將與高科技攜手向前，逐步走向?qū)⒐盘沾善餍汀⒓y飾、顏色等外觀信息數(shù)字定量化，并與古陶瓷多種內(nèi)在科技信息相結(jié)合，利用大數(shù)據(jù)分析的方法，科學(xué)而客觀地給出古陶瓷的地域歸屬（斷源）、時(shí)代歸屬（斷代）以及真?zhèn)握鐒e（鑒定）。

另外，其中的古陶瓷器型結(jié)構(gòu)的可解釋性簡化方法，必將支撐考古學(xué)中的“類型學(xué)”研究，也可為器型結(jié)構(gòu)變化與文明關(guān)系的研究帶來更多的科學(xué)方法。

在羅宏杰看來，古陶瓷是一個(gè)還沒有被充分挖掘的寶庫，我們可以向干百年前的古人學(xué)習(xí)，古為今用，證實(shí)歷史和補(bǔ)充歷史，把中國文明梳理清楚，也可以將古陶瓷的研究成果應(yīng)用于現(xiàn)代陶瓷生產(chǎn)中，開發(fā)出高質(zhì)量、低成本的陶瓷產(chǎn)品。

文章來源： “世界科學(xué)”公眾號