古瓷中的科學智慧

賽先生

中國最早發現的陶器位于江西萬年仙人洞遺址，已有8 800年的歷史。最早發現的原始瓷器出現在商周時期，距今已經有4 000多年。

在古陶瓷的生產中，我們祖先創造出了原始瓷器、青瓷、白瓷、青花瓷等，這些種類繁多、琳瑯滿目的瓷器，給世界帶來了一個又一個驚喜。古陶瓷中究竟蘊藏著怎樣的智慧？它們經歷了怎樣的科學發展過程走到了今天？這些科學奧秘能否造福今天的生活？

古瓷“窯變”暗藏當今科研熱點

簡單來說， “窯變”就是古代工匠按照傳統的配方進行陶瓷燒制，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，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，窯戶們發現窯變瓷器形態極美，或如燦爛云霞，或如春花秋云，或如大海怒濤，或如萬馬奔騰，可作為藝術瓷釉為人們所欣賞。如宋代河南禹縣鈞窯生產的銅紅窯變，可謂變幻莫測、鬼斧神工。

窯變是瓷器在燒制中產生的不確定性產物，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生。為什么會出現這種窯變情況，當時的人沒有能力去解開謎團，其形成機理長期以來缺乏研究。

中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員、上海大學教授羅宏杰介紹，事實上，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薄層，一般是將各種原料按一定比例配合，經過研磨制成釉漿，施于坯體表面，經一定溫度煅燒而成。但是在高溫下，釉內部會發生一些結構變化，這是產生窯變的根本原因。

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，釉體內會分出許多小團簇，就相當于水中出現了大量的油滴，并且均勻地混合在一起，這會使得釉內部的化學組成進行重新分配。當分相的單元在空間規則或近規則排布時，就形成了當今科技界研究熱點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尺度上具有周期性結構的人工設計和制造的晶體。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，也就是通過結構產生物理著色，物理著色和化學著色劑無關，單純和物質的結構有關系，在特定的結構中，有些波長的光被完全吸收了，有些波長的光被加強了。

這種現象在自然界中也經常出現，比如我們會發現有些鳥特別漂亮，但如果單單觀察它的一根羽毛，我們會發現并沒有什么特別之處，產生艷麗之色的其實是烏羽毛上特殊的自然光子晶體結構。

古陶瓷的窯變顏色，其實就是光線進入陶瓷光子晶體、非晶光子結構產生的結構色和釉中化學元素著色的復合體。在產業中有諸多應用

羅宏杰領銜的團隊成功利用古陶瓷分相一析晶及結構呈色原理，研發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，所開發的技術已成功應用于現代瓷釉生產中，古為今用，取得了良好的經濟效益與社會效益。

目前，羅宏杰和陜西科技大學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，不但可以作為傳統陶瓷的裝飾色料，而且比傳統色料具有更好的視覺效果。同時，他還和中國科學院上海硅酸鹽所研究團隊利用瓷釉分相原理，開發無須乳濁劑的乳濁釉。

乳濁現象在我們日常生活中很常見，比如牛奶就呈現一種乳濁現象，我們的眼睛無法透過這一層層乳液，看到液體的底部。而我們日常用的洗臉盆、洗手間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，生產企業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生了乳濁現象，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口的澳洲優質鋯英砂，有些科學家還認為硅酸鋯有一定的放射性。

羅宏杰的團隊利用古陶瓷中獲得的特殊結構模式，調整玻璃的結構和成分，以強化瓷釉分相結構中的界面折射率差，產生可以替代硅酸鋯的異相顆粒，產生相似的乳濁效果。目前，該項成果已經在很多企業進行了實際應用。古陶瓷是潛在的寶庫

之所以能在產業界獲得如此重要的技術突破，和羅宏杰團隊幾十年來傾力打造古陶瓷的大數據庫有緊密關聯。

在對古陶瓷的研究中，研究團隊發現，不同地區、不同時代、不同窯口的古陶瓷具有不同的特點。從20世紀80年代開始，他們就著手建立中國古陶瓷標準的科技譜、古陶瓷綜合斷代斷源分析方法、鑒定的規范體系。這套綜合分析方法包括研究陶瓷的化學組分、顯微結構、燒成溫度、光譜信息、器型結構和顏色。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掘團隊。這樣的研究模式可以讓古陶瓷研究更加客觀化和科學化，同時為后續源源不斷出現的新技術應用奠定了研究樣本基礎。

20世紀90年代初，羅宏杰團隊專門建立了針對古陶瓷的多元統計分析軟件，利用古陶瓷大數據庫內的大量樣本，開展更加深入的研究工作。他們在研究中發現了一系列中國古陶瓷發展演變的規律，窯變機理的應用是其中的重大應用。

今天，他的團隊還在致力做更大樣本、更多信息的古陶瓷數據庫，并致力數據采集標準的建立，以幫助全國更多單位在一個語境下共享、共用數據庫，打破數據“干島湖”，為大數據的應用鋪平道路。

未來的古陶瓷鑒定的發展路徑可能和中醫現代化相似。羅宏杰說，中醫原來有號脈、觀相、看舌苔等方法，現在中醫發展了數字化模式，將中醫看病的各個過程用儀器和參數表達出來。未來，古陶瓷鑒定將與高科技攜手向前，逐步走向將古陶瓷器型、紋飾、顏色等外觀信息數字定量化，并與古陶瓷多種內在科技信息相結合，利用大數據分析的方法，科學而客觀地給出古陶瓷的地域歸屬（斷源）、時代歸屬（斷代）以及真偽甄別（鑒定）。

另外，其中的古陶瓷器型結構的可解釋性簡化方法，必將支撐考古學中的“類型學”研究，也可為器型結構變化與文明關系的研究帶來更多的科學方法。

在羅宏杰看來，古陶瓷是一個還沒有被充分挖掘的寶庫，我們可以向干百年前的古人學習，古為今用，證實歷史和補充歷史，把中國文明梳理清楚，也可以將古陶瓷的研究成果應用于現代陶瓷生產中，開發出高質量、低成本的陶瓷產品。

文章來源： “世界科學”公眾號