對現(xiàn)代人來說,“金屬”是一個(gè)多么普通的概念。制作炊具的鋁,制造罐頭的鋅,打制首飾的金,還有制做各種工具的鐵……不都是金屬嗎?
《辭海》中的“金屬”條目曰:“具特有光澤而不透明(對可見光強(qiáng)烈反射的結(jié)果),富有展性、延性及導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性的這一類物質(zhì)。”
在門捷列夫的元素周期表中,左下角絕大部分是金屬的領(lǐng)域,僅右上角才是非金屬的地盤。在人類至今認(rèn)識(shí)的109種化學(xué)元素中,非金屬只有22種,而金屬占了近80%。這些金屬在常溫常壓下,都是具有光澤而不透明的固體(除汞外),與上述的金屬定義相符合,它們與非金屬之間存在著一條涇渭分明的界限??墒牵诜浅?、常壓下,金屬與非金屬之間,是否仍然是“雞犬之聲相聞,老死不相往來”呢?
科學(xué)家發(fā)現(xiàn),金屬元素的許多特點(diǎn),如堅(jiān)硬、有光澤、致密、敲擊時(shí)鏗鏘作聲等,也是當(dāng)代許多陶瓷所共有的特性,它們已不是金屬的“專利”了??墒侵两駷橹梗饘俚亩x中還保留著一個(gè)“避難所”——電的良導(dǎo)體。
如今,這唯一的“避難所”也巳搖搖欲墜。科學(xué)家們已合成了許多種稱作“分子金屬”的物質(zhì),這些“分子金屬”具有長長的鏈?zhǔn)椒肿?,能象金屬那佯?dǎo)電。不過,目前這些“分子金屬”還只能在一個(gè)方向上導(dǎo)電,而不能象金屬那樣在三個(gè)方向上導(dǎo)電。但是,科學(xué)家們正致力于合成具有三維導(dǎo)電能力的“分子金屬”。一旦研制成功,金屬的最后“避難所”也將徹底崩潰。
金屬與非金屬之間的那條“楚河漢界”正在日益消失。在一定的條件下(主要指溫度和壓力),金屬和非金屬是能夠互相轉(zhuǎn)化的。在臨界密度之下,電子屬于特定的原子,并不顯示金屬性;而在臨界密度以上,電子便自由了,出現(xiàn)了金屬所具有的自由電子的“海洋”。例如,在硅中摻入少量的磷,盡管是兩種非金屬,但只要在外界溫度低于0.003K,電流照樣能在其中通行無阻。又如,在固體物理學(xué)界身價(jià)倍增的超導(dǎo)材料——銥鋇銅氧化物,它的真實(shí)面目卻是一種陶瓷,而并非人們想象中的金屬,這正是金屬與非金屬界線消失的一大明證!
除了外界環(huán)境能夠改變物質(zhì)的屬性外,物質(zhì)數(shù)量上的變化也會(huì)戲劇性地改變物質(zhì)的屬性。
我們不妨做一個(gè)有趣的數(shù)字游戲:銀可算是一種典型的金屬了吧,但是,一個(gè)銀原子算不算金屬呢?不能算。兩個(gè)、三個(gè)銀原子呢?也不行。因?yàn)樗鼈兌疾荒苄纬梢粋€(gè)自由電子所需要的化學(xué)環(huán)境。那么,究竟幾個(gè)銀原子才能滿足這一要求呢?
科學(xué)家們用高分辨的電子顯微鏡拍攝了具有1500個(gè)銀原子組成的一簇。發(fā)現(xiàn)它呈多面體的結(jié)構(gòu),具有五重對稱性,這下可稱它為金屬了吧?還是不能,因?yàn)檫@些原子的電子還各有其主,并未形成自由電子的“海洋”。
那么,10000個(gè)銀原子組成的簇又怎樣呢?科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),由10000個(gè)銀原子組成的簇,它的整個(gè)結(jié)構(gòu)經(jīng)過了一次重整,已變成了名副其實(shí)的金屬,而不再是高度對稱的高能態(tài)晶格了,它已是呈線狀方式排列的低能態(tài)金屬。
可見,在1500~10000之間,必定存在一個(gè)數(shù),在這一點(diǎn)上,銀原子簇突然從“非金屬”向“金屬”過渡了。量變引起了質(zhì)變,這情形有些類似搭積木,不太高時(shí),積木呈規(guī)則堆積,達(dá)到一定高度后,它就會(huì)崩塌下來。對銀原子來說,1500~10000之間這一神秘?cái)?shù)字究竟是多少呢?科學(xué)家們還不能明確地告訴我們。
“金屬”的定義正在日趨過時(shí),終有一天,人們會(huì)感嘆地說:“這種關(guān)于‘金屬’的定義”只是上一世紀(jì)的事了,它早已進(jìn)了科學(xué)歷史的博物館了。