博士生研究新西兰绿玉超强韧性 未来或用于太空材料

奥塔哥大学(University of Otago)地质学博士生Natalia Seliutina的研究之路,从零下30度的西伯利亚一路延伸到但尼丁的雕刻工作室,再到台湾的粒子加速器实验室。她想弄清楚,为什么新西兰绿玉(pounamu,在毛利语中也称为greenstone)是地球上最坚韧的天然材料之一。她的论文近期已发表在《新西兰地质与地球物理学杂志》(New Zealand Journal of Geology and Geophysics)上。

Natalia在俄罗斯西伯利亚长大,祖母常给她讲故事。“她来自南乌拉尔山脉的乌德穆尔特(Udmurt)原住民群体,那里以丰富的矿藏和多样的岩石闻名,”Natalia说。“在她的传统里,很多童话故事的主角都是石头,所以我一直对石头有种莫名的吸引力。”

Natalia对石头的热爱也源自她的西伯利亚背景。“软玉(nephrite jade)是当地文化的重要组成部分,我们对它有一套信仰体系,天然地对它有种亲近感,”她说。由于苏联时期原住民群体被拆散,关于玉石的文化含义并没有统一说法,各家各户的传统也不尽相同。“在我们家,有一种说法是女性去世后,她的部分灵魂会进入一只玉镯,并沿女性血脉传承下去。我妈妈就有一只这样的镯子,历代女性祖先的灵魂在指引着她,这只镯子也承载着自己的故事和传说。”

正是软玉——在新西兰被称为pounamu或greenstone——把Natalia带到了新西兰。“当我看到有机会读软玉方向的博士时,觉得太棒了,这把我的个人兴趣和一个深奥的材料科学问题结合在了一起。”她目前研究的是这种石头的微观结构和力学性能,希望有朝一日能帮助人类开发新材料。

“这个大项目研究的是pounamu的韧性,它极其、异常地坚韧,是有史以来最坚韧的天然材料之一,”Natalia说。“目前还不清楚是什么造就了这种独特的韧性,所以我在描述它的结构,试着找出其中的规律或原因。这是一种非常复杂的材料,我认为答案会是多个参数共同作用的结果。”

2024年,Natalia获得机会前往台湾的国家同步辐射研究中心(National Synchrotron Radiation Research Center),使用粒子加速器来深入研究pounamu。“粒子加速器可以让你精确观察材料,探索其分子和晶体结构。软玉的晶粒非常细小,像比头发还细好几倍的针状结构,”她说。“粒子加速器利用磁铁和很大的管道,把粒子加速到极高的速度和能量,电子轰击样品后,探测器会记录它们与样品的相互作用方式,从而识别出材料的不同特性。这是一次非常独特的实验机会。”

这是首次有人利用同步辐射技术对软玉的微观结构进行研究,而pounamu作为两种软玉之一被用于此类研究,更具特殊意义。“既极度紧张又很兴奋,”Natalia说。“这是一份很重的责任,你当然希望把每件事都做对,非常仔细谨慎地处理数据,因为这在文化和科学上都意义重大,这类研究有可能产生很大的影响。”

这项研究的灵感并非来自象牙塔,而是来自pounamu雕刻师。“我的导师Simon Cox博士本人对pounamu很感兴趣,他在南岛与不同的毛利部落(iwi)相处过很长时间,很多时候大家都在问同一个问题:为什么pounamu这么坚韧?最初提出这个问题的是毛利人,而不是科学家,”Natalia说。

去年10月,来自新西兰各地的雕刻师受邀参加一场工作坊,研究者与雕刻师在会上交流各自的知识。“有件事让我特别震惊,”Natalia说。“我请雕刻师们按适合雕刻的程度给几块pounamu排序,他们的判断几乎和我通过断裂韧性测试得出的结果完全吻合。而他们没有做任何物理测试,靠的只是经验、直觉、感受,以及毛利传统知识(mātauranga)。”

雕刻师们也从这项研究中受益。“雕刻师们对裂纹系统很好奇,因为有些pounamu外表看起来很漂亮,内部却可能已经开裂。我们发现,通过让声波穿过材料,通常能够预测其中含有多少杂质,这可以帮助雕刻师提前预判材料状况,减少雕刻过程中的材料浪费。”

pounamu中的闪石类矿物本身并不算特别坚固,但pounamu的独特之处在于其纤维状结构。“纤维通常在材料中起到增强作用。pounamu和人类制造的陶瓷有些相似,其中一些纤维发生弯曲并相互交织。当闪石矿物结合成这种结构时,材料就变得几乎坚不可摧。”

Natalia表示,如果能更深入理解pounamu的结构原理,或许有助于开发一种兼具陶瓷耐腐蚀性和金属抗断裂性的新材料。“如果我们弄明白了它的原理,就能极大推进材料科学的理解,这可能有助于开发出可用于太空领域的新型耐腐蚀材料。这个项目真的很让人兴奋,因为你能感受到它的意义所在。”

在一个对玉石有着不同信仰体系的国家做研究,感受也很不一样,Natalia说。“俄罗斯人更看重颜色更亮、更白的玉石品种。而在新西兰,人们对pounamu的态度完全不同,没有哪个品种会被认为优于另一个,更多是一种个人化的情感,取决于人们对某块石头本身的感受。”

新西兰的文化差异也不止于此。“新西兰比我预期的要好得多,但一开始我很害怕,因为很多文化习惯正好是反过来的。如果一个陌生人在街上对我微笑,我会觉得有点吓人,我走在街上会想‘这是怎么回事’?但当你习惯之后,把它当作日常生活的一部分,你就会明白这其实营造出了一种友好的氛围。当然,这里也不是零下30度,这点也挺好的。”

这并非Natalia Seliutina第一次研究宝石。硕士期间,她研究过金伯利岩(kimberlite)——一种能把钻石带到地表附近的岩浆岩。“它在上涌过程中,会把深处的钻石一并带向地表,”Natalia说。