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刀與石

99/01/13 26418

余樹楨｜成功大學地球科學系教授

石器時代 vs. 鐵器時代

石器時代的人類，日常使用的器具不外石刀、石斧，當他們發現有一種稱為鐵的金屬材料，可以製成性能更為優越的工具時，真是喜出望外。套一句今天的流行話，他們發現了新的尖端材料，嶄新的科技世代──鐵器時代──終於來臨了。這的確是值得石器時代老祖宗引以為傲的大事。

用鐵製成的鐵刀、鐵斧，極為堅韌耐用且性能優異，不但處理獵物十分好用，就連砍伐竹子、木材也相當方便、快速，不像使用石刀、石斧，不僅花費比較多的時間，而且工具常常有斷裂之虞。

鐵錘 vs. 石頭

到野外實地考察是地質系學生的必修課程，出野外時一定要攜帶一把地質錘用來敲擊石頭，以便觀察岩石內部未受風化的礦物、化石、岩理等特徵，做為岩石鑑定的初步根據。如果到火成岩或變質岩地區工作，還需要攜帶一把大鐵錘，以便敲破比較堅硬的岩石。根據習知的經驗，鐵錘敲擊石頭時，破裂的必定是石頭，不是鐵錘。反過來講，用石頭敲擊鐵錘，結果應該仍是石頭破裂，鐵錘的傷勢較輕。

一般刀子用久了會變鈍，最簡便的方法就是找一塊石頭來研磨，很快就可恢復銳利，不管鐵質刀或鋼質刀都一樣有效。如此說來，鐵與石兩者之間似乎有一種奇妙的關係—鐵錘可以敲破石頭，石頭卻可以把鐵刀磨利。

對這個看似矛盾卻是事實的現象，一般的解釋不外乎鐵是韌性的材料，而石頭是脆性的物質。不錯，鐵是韌的，而石頭是脆的，因此石頭碰到鐵錘，一定是石頭破裂。但是為什麼鐵是韌的？而石頭是脆的？又為什麼脆性的石頭可以把韌性的鐵刀磨利？脆性與韌性真是這種關係嗎？

離子鍵晶體

離子鍵晶體主要是靠帶正電的陽離子與帶負電的陰離子之間的庫倫吸引力，使得組成的原子或分子凝聚在一起形成結晶。雖然異性的正負電荷之間有吸引力，但是同性的正電荷或負電荷之間也有排斥力。離子鍵晶體中其實也有同性電荷之間的排斥力，不過由於正負離子之間距離的不同，總吸引力會大於總排斥力，使得晶體得以穩定。我們每天都要吃的食鹽，即氯化鈉晶體，正是典型的離子鍵晶體。

石頭與大部分的陶瓷材料一樣，屬於離子鍵晶體。受到外力，比如用鐵錘敲打時，只要力道足夠，便可能引發原子些微的位移，造成晶體中同性電荷離子緊密相鄰的窘境。這時由於局部排斥力大於吸引力，晶體因而破裂，但破裂的碎塊仍然是小塊的離子鍵晶體。如果撞擊的力道不夠，晶體雖然可免於破裂，但也會產生無數裂紋，難以復原。

金屬鍵晶體

大部分的金屬，包括金、銀、銅、鐵等，都是典型的金屬鍵晶體。金屬鍵晶體的組成原子間會互相吸引，這個特性源自金屬原子一般都很容易失去外圍的電子而成為帶正電的陽離子，同時這些脫逸的電子群也會形成電子雲的狀態。若把帶正電的金屬離子看成是正電集團，電子雲就是負電集團，金屬鍵晶體就是靠這兩組集團的庫倫吸引力把原子吸引在一起。換句話說，金屬鍵晶體可以看成是帶正電的金屬離子團散布在負電的電子海中彼此相互吸引。

這種引力形成的晶體受外力打擊且力道足夠時，金屬離子也會產生位移，材料科學稱這現象為滑移。但是由於正負電荷在晶體中配置的方式不同，正負電集團間的引力仍然存在，不會像離子鍵晶體因受外力而產生互斥的狀態。因此金屬鍵晶體雖會產生一點變形，卻不易裂開，所以說這種晶體具延展性。就是這種延展性，使得鐵製鑿子在久用之後，由於不斷的捶打，鑿子受力這一端的邊緣會產生捲曲的現象，這是鑿子內部鐵原子產生滑移所表現出來的「塑性變形」。

磨刀石

陶瓷材料的離子鍵特性賦予晶體脆性，使得石頭禁不起鐵錘的敲擊。然而鐵刀或鋼刀鈍了，卻需要借助石頭的研磨才能恢復銳利，又是什麼道理呢？這就要用礦物學的基本觀念—硬度—來說明了。

莫氏硬度是一種相對硬度，兩塊礦物相互摩擦，硬度大的會刮傷硬度小的。說得更具體一些，硬度大的礦物可以磨碎硬度小的礦物表面，且在後者表面留下一道刮痕。例如用鑽石刀在玻璃表面劃一下，以放大鏡觀察玻璃表面，就可以看到玻璃表面產生了微細凹槽，這說明鑽石的硬度比玻璃大。

一般的磨刀石大都是由砂岩切割而成的，砂岩的主要組成礦物是石英。石英是莫氏硬度 7 的礦物，而鐵的莫氏硬度只有 5，鋼製小刀也只稍大於 5。因此刀子在石頭上摩擦的結果是，硬度大的石英顆粒不斷地把硬度小的刀面磨薄，刀鋒就逐漸尖銳、變得更銳利了。

一般磨刀子的過程，會先粗磨然後再細磨。粗磨使用的石頭，其中的石英顆粒比較粗，可以快速磨利刀鋒，但是會留下粗糙的刀鋒表面。這時再用細粒石英的石頭磨平刀鋒的粗糙面，這才是我們所看到平滑、閃閃發光的刀鋒。假如使用碳化矽磨盤研磨刀具，也會有粗細磨盤之分。工業用的磨盤甚至以碳化矽顆粒大小分成不同的等級，以適應不同的刀具。

因此前面所說的以菜瓜布擦拭不沾鍋，而把鐵氟龍鍍層刮壞的事例，就容易理解了。其實家庭主婦大都知道清洗鐵氟龍不沾鍋，一定得用軟質的海綿來擦拭，才能保護鐵氟龍鍍層經久耐用。

學以致用

以下是一則真實的故事。有些實驗室的暗房，為了防止意外曝光，暗房的門在關上以後會自動上鎖，這時必須使用鑰匙才能進出。有一位研究生到暗房沖洗Ｘ光底片，工作完成時才發現忘了帶暗房鑰匙，這時已過了下班時間，無法呼叫求救，體認到自己被鎖在暗房內，年輕人開始思考如何自救。

首先他試著用身上的實驗室鑰匙開暗房的門，當然徒勞無功。還好，他發現牆角有幾盒玻璃片，這些玻璃片是放置礦物顆粒或化石微粒以供顯微鏡觀察用的載玻片。研究生心想玻璃硬度是 5.5，鑰匙的硬度只有 3.5 ~ 4，也許可以利用玻璃加工鑰匙。

於是他再嘗試用實驗室鑰匙開啟暗房的門，當然仍無法開啟。不過稍微使點勁再拔出鑰匙時，他看到鑰匙鋸齒上卡住的地方留下一些刮痕，他就用玻璃片磨除鑰匙鋸齒的刮痕，然後再次使勁試開，拔出鑰匙檢視鋸齒刮痕，再次用玻璃片磨除鋸齒上的刮痕，顯然他把玻璃片當作銼刀使用。如此重複數次之後，果不其然，不到半小時，這位年輕人已面帶笑容地走出暗房，頗有電視影集中馬蓋先的架勢。

資料來源

《科學發展》2010年1月，445期，60 ~ 63頁

相對硬度(2) 碳化矽(6) 鐵氟閃玉(1) 石英(9)

刀與石

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