對現代人來說,“金屬”是一個多么普通的概念。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(對可見光強烈反射的結果),富有展性、延性及導熱性、導電性的這一類物質。”
在門捷列夫的元素周期表中,左下角絕大部分是金屬的領域,僅右上角才是非金屬的地盤。在人類至今認識的109種化學元素中,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。可是,在非常溫、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?
科學家發現,金屬元素的許多特點,如堅硬、有光澤、致密、敲擊時鏗鏘作聲等,也是當代許多陶瓷所共有的特性,它們已不是金屬的“專利”了。可是至今為止,金屬的定義中還保留著一個“避難所”——電的良導體。
如今,這唯一的“避難所”也巳搖搖欲墜。科學家們已合成了許多種稱作“分子金屬”的物質,這些“分子金屬”具有長長的鏈式分子,能象金屬那佯導電。不過,目前這些“分子金屬”還只能在一個方向上導電,而不能象金屬那樣在三個方向上導電。但是,科學家們正致力于合成具有三維導電能力的“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,在固體物理學界身價倍增的超導材料——銥鋇銅氧化物,它的真實面目卻是一種陶瓷,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!
除了外界環境能夠改變物質的屬性外,物質數量上的變化也會戲劇性地改變物質的屬性。
我們不妨做一個有趣的數字游戲:銀可算是一種典型的金屬了吧,但是,一個銀原子算不算金屬呢?不能算。兩個、三個銀原子呢?也不行。因為它們都不能形成一個自由電子所需要的化學環境。那么,究竟幾個銀原子才能滿足這一要求呢?
科學家們用高分辨的電子顯微鏡拍攝了具有1500個銀原子組成的一簇。發現它呈多面體的結構,具有五重對稱性,這下可稱它為金屬了吧?還是不能,因為這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個銀原子組成的簇又怎樣呢?科學家們發現,由10000個銀原子組成的簇,它的整個結構經過了一次重整,已變成了名副其實的金屬,而不再是高度對稱的高能態晶格了,它已是呈線狀方式排列的低能態金屬。
可見,在1500~10000之間,必定存在一個數,在這一點上,銀原子簇突然從“非金屬”向“金屬”過渡了。量變引起了質變,這情形有些類似搭積木,不太高時,積木呈規則堆積,達到一定高度后,它就會崩塌下來。對銀原子來說,1500~10000之間這一神秘數字究竟是多少呢?科學家們還不能明確地告訴我們。
“金屬”的定義正在日趨過時,終有一天,人們會感嘆地說:“這種關于‘金屬’的定義”只是上一世紀的事了,它早已進了科學歷史的博物館了。