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鐵的非凡特性

鐵在元素週期表中排第26位,宇宙丰度(宇宙中各種元素的相對含量)排第6位。在你的身體內,它比其他的大多數元素都更重;它攜帶著26顆質子和30顆中子,巨大的原子核拴住了一層密密的電子雲,從而可以與其他原子之間形成多重鍵。這些特性可以幫助解釋鐵在恆星毀滅時所扮演的角色,以及它在地球上的非凡屬性。

原子對周圍電子的排布方式非常挑剔,就像人們沉迷於自己的衣著一樣。在與其他原子接近時,鐵通常會貢獻或共享最外層的一些電子,有時也會從鄰近的原子那裡搶奪電子。氧元素是它最喜歡的「交易夥伴」之一,將鐵暴露在空氣中足夠久的時間,它就會腐蝕成為銹跡斑斑的氧化物。但如果你在一個攜帶氧氣的血紅蛋白分子中間嵌上一個鐵原子,氧與鐵的吸引力則會變得對你有益。

鐵原子的另一個潛在合作夥伴是碳,一般在鐵中含有2%或更少的碳時,鐵會硬化形成鋼。如果緊緊地鉗住鐵棒的一端,用機器強力拉拽,將其穿過堅鋼模具上一個孔徑逐漸遞減的洞,鐵棒就會像太妃糖一樣,最終被拉成一根纖細的鐵絲。如果這根鐵絲的碳含量正好合適,再經過加熱,你便可以將它緊緊地繃在小提琴琴橋的兩端,在拉出美妙音樂的同時卻又不至於將其折斷。這樣強而韌的特性源於鐵原子類似滾珠軸承的能力,鍵合力將它們束縛在一起,但又讓它們在被擠壓或拉拽時能夠在彼此周圍相互滑動。這種既強且韌的鍵合力正是由電子雲的相互作用產生。

用一把重錘錘打放在砧上的鐵棒,鐵棒會被砸平為一片薄薄的刀片,金屬中的原子橫向擴散,它們與周圍原子間的關係卻沒有被破壞。在火上加熱鐵棒,振動更為激烈的原子之間會更容易滑動,也更容易形成新的形狀。在熔爐中將鐵加熱到2800華氏度(1537攝氏度),顫抖的、熾熱的原子便可以流動起來,並被倒入任何合適的模具中,這是鐵匠們幾百年前就發現的特性。

如果將鐵棒兩端通上電,電流便會像水通過水管一樣通過鐵棒。這是因為金屬內的自由電子形成的鬆散「海洋」可以不受約束地在原子之間流動,這也是避雷針可以將閃電導入大地的原理。而如果將鐵棒放置到強磁場中,它便可以吸引羅盤的指針。鐵原子外層的電子移動性很強,不僅會順著軌道圍著原子核轉動,也時常會跳開訪問鄰近的原子:一邊移動還一邊旋轉。來自磁場的呼喚就彷彿是音樂傳到了它們的耳朵裡,它們會各自排列出自旋方式進行匹配。很多元素都會這麼做,但鐵卻可以在音樂停止之後,仍然記得旋律和節奏。

羅盤中緊密結合的原子聚集成和人體細胞差不多大小的團簇,磁化的指針就通過其間的電子自旋方向產生自己的磁場。每一個團簇都有各自的自旋方向,形成微型的馬賽克圖案。當大多數團簇排列成一致方向並產生淨磁場時,指針就會傾向於轉向合適方向,使自己的磁場順應富鐵地核產生的地磁場,後者就是這麼穿過數千英里的岩石與岩漿控制了指針。如果用錘子對指針進行重擊,電子又會恢復成隨機排列,也就不能再與地下的那些弟兄互相吸引了。

大約在兩千年前,古代中國的發明家就將天然磁石用繩子懸掛起來,用於指示方向。後來在漢朝時期出現的「司南」就像是一把精緻的鐵質長柄勺放置在一個拋光的金屬盤上,它的勺柄可以平滑地旋轉指向南方。

隨後的幾個世紀,這種磁鐵廣泛被應用於風水學,這是一門利用神秘力量定位寶石和其他隱藏寶物的學問,也是一門確保建築符合天地之氣的學問。宋朝期間,中國的航海家也在穿越印度洋的軍事行動與貿易活動中使用了磁鐵。有些羅盤其實就是用磁石擦過的鐵針,放在一盤水的表面,或是用絲線懸掛。通過當時水手與商人的傳播,指南針技術在整個歐亞大陸得到普及,隨後開啟了遠洋貿易,並對歐洲探險家最終發現美洲大陸做出了貢獻。

如今,從計算機到風力渦輪機到混合動力汽車的發動機,磁性金屬有著廣泛的應用,並且現代的新型超磁體,利用金屬釹這類非常重的稀土元素,將鐵的電子排列進行統一與穩定。這就讓磁鐵可以變得更小,適合用於製造iPod及耳機等電子設備;也可製造大體積的設備,如豐田普銳斯的電動馬達與電池,就大概含有2磅(0.9千克)的釹。

如今,作為全球最大的稀土元素供應商,中國再一次扮演了傳播磁技術的重要角色。近期中國政府削減了這些重要資源的出口量,於是全球市場都有所反應,價格暴漲,而且也開展了積極的探索,以期發現具有開發價值的新礦。幸運的是,對於中國以外的客戶而言,釹的儲量並不是真的像它所屬的「稀土」分類那樣稀少,在本文撰寫期間,澳大利亞、美國及其他地區的一些替代礦源也正在被開發。

同樣的重量下,釹磁體的磁性比起普通的冰箱磁條要強上很多倍。它是市場上最強大的磁體,可以從泡開的加鐵麥片中吸出鐵,還可以從桌面上吸起美元鈔票,只因為墨水中有一些鐵顆粒。即使當含鐵樣品以極快的速度活動的時候,釹磁鐵依然可以吸引它們,這使得操控這種磁鐵有些潛在危險。科學作家弗蘭克·斯維因(Frank Swain)在2009年發表了一篇博客,題為《手指是如何被兩片超磁體夾掉的》,博文中通過幾幅恐怖的圖片介紹了一個案例,兩片距離一英尺半的釹超磁體突然撞到一起,不幸擊中了受害者的手指。

儘管有風險,我最近還是買了一塊釹磁體,當然只是用於科學目的。我的目標是為了搜尋一種不尋常的鐵。鋼製的廚具和其他類似物品的金屬原材料通常來自兩種主流的礦石:灰暗而具有金屬外觀的磁鐵礦以及紅色的赤鐵礦。美國製造業、運輸業及建築業所使用的鋼鐵,主要都是由五大湖地區開採的礦石煉製而成。而你身體裡的鐵,卻可以追溯到分散於土壤中的磁鐵礦與赤鐵礦顆粒,還有一少部分來自花崗岩與玄武岩中的輝石、雲母等礦石。但這並非是全部——還有一些鐵是天外來客。

很久以來,人們一直驚歎於從天而降的鐵隕石,並熱衷於收藏它們。數千年前,一顆重達34噸的大塊頭襲擊了格陵蘭冰蓋,原住民獵人的刀和魚叉便取材於此;法老圖坦卡蒙的木乃伊佩戴的一把鎳鐵合金匕首,同樣也是來自隕石。可以大到足夠製造工具的隕鐵碎片終究還是不太常見,2013年2月,有一顆重量堪比一百輛火車頭的流星在俄羅斯境內爆炸,由此引發了一場追尋隕石的「淘金熱」。像雪片一樣撒落的碎片與紀念品可以賣個好價錢,引來了「流星獵人」們到此發掘。不過很細小的隕石其實很容易被發現,特別當你的手上擁有釹磁鐵時。

我將釹磁鐵小心翼翼地與錢包保持距離,以免造成信用卡消磁;在隔壁保羅史密斯學院的陡峭屋頂上,我用它掠過雨水排溝上的沙粒,一些黑色小球從裡面跳了起來,撞擊到磁體的光亮表面時還能聽到響聲。我在顯微鏡下端詳良久,發現了兩粒很小的金屬球體,在一堆不規則的沙粒中閃閃發光。它們來自於熾熱的流星,在空氣中飛濺成熔融態的金屬,最終冷卻成了小球。

此刻它們就躺在這些粗糙的磁鐵礦石中間。這些磁鐵礦石雖說來自阿迪朗達克山脈,但構成它們的原子卻是來自太陽系形成前的星球熔爐。從這個角度而言,這些來自太空的球體並非真的是天外來客,倒像是地球失散多年的親戚。經歷了最不可思議的飛行事故,它們終於得以在超過40億年後首次重聚。

當流星發出光芒,隨後又消逝的時候,它所攜帶的原子並沒有真的消失,而是以更分散的形式留存在空中。大多數隕石金屬會在大氣中解體,在6英里的高度上形成數英里厚的煙霧,圍繞在地球表面。每年大約有10萬噸的太空塵埃會沉積到地面、海洋表面或是你的屋頂上,這其中不僅有鐵,還有硅酸鹽礦物質以及來自彗星的冰,甚至偶爾還會有火星上飛濺出的顆粒。這些物質有很多會溶解到地下水或海水中,然後以原子的形式,與它們的地球親戚一同隨著食物鏈進入你的身體。最終的結果就是,轉瞬即逝的流星、一捧卑微的沙子、法老的神聖匕首以及搖擺的羅盤針,其實都和你分享了共同的遺產。