漫威宇宙的汎合金 VS 現實宇宙的釩金屬

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漫威電影中的汎合金吸引各方勢力爭相奪取,這種虛構金屬宣稱質地堅固且能吸收能量。電影中的設定不見得符合物理定律,但合金的應用在現實生活中的確推進了人類科技的發展與應用。與汎金屬聽起來最音近的便是釩金屬,因其具有多重氧化態,成為了綠能科技的重要研究材料。透過對於不同金屬特性的探討及合金的變化應用,相信有一天人們也能在現實中打造出不同的「夢幻金屬」。

撰文|黃鼎鈞

美國隊長的盾牌。圖片出處 Wikimedia Commons

 

汎金屬(Vibranium)是漫威電影中虛構的材料,被用以製造美國隊長的盾牌以及黑豹的服裝,根據在電影中的設定,若是敲擊汎金屬,它能夠吸收該攻擊的能量,將能量分散在其金屬鍵中並使之更為堅固[1],因此它是一種夢幻的金屬材料。對於汎金屬的各種設定有許多並不符合真實世界的物理定律,連蜘蛛人在看到美國隊長的飛盤狀的盾牌可以如迴力鏢似的原路折返都驚呆了說:「這根本不符合定律!」那對於一個物理人,看到汎合金會想到什麼呢?讓我們由以下幾個觀點來認識金屬合金的應用吧!

 

百變的金屬: 合金的應用

合金是由金屬與其他元素組成,其他元素可以是金屬或非金屬,合成後仍具金屬的特性,卻能夠透過不同的成分調整呈現不同的物理特性。合金與我們的生活息息相關,常使人類的生活更加便利,最早的使用記錄可以追溯至青銅時代,當時的人使用鐵隕石(Meteoric iron)作為生產工具或武器,鐵隕石是一種主要由鐵及鎳組成的合金,由於當時的人尚未具有冶金的技術,無法將其元素分離,因此鐵隕石時常被直接拿來使用,它的硬度比起為鑄造過的鐵還更高,比起當時的礦石武器更為堅固銳利,因此有人稱之為「天上來的匕首」[2]。

直至今日,合金的應用在生活中仍處處可見,我們所居住的房子大多是以「鋼筋」作為建材,鋼主要是由鐵、碳及其他微量元素組成的合金,根據含碳量的不同可以調整其鋼材的強度及硬度。在鍋具上的應用,不同的含碳量配合其他金屬元素,如鉻、錳等元素,則有不同的抗腐蝕、抗氧化的功能 。一般來說,含碳量較高(0.6%~2%)的鋼,其質地硬且脆,含碳量較低(0.3%以下)的鋼則呈現較高的延展性,質地比較軟[3]。因此我們可以知道,透過調整合金的組成比例,可以取得更多不同物理特性的金屬並應用在生活需求上。

鋼筋。圖片出處 Wikimedia Commons

 

汎釩金屬可不是泛泛之輩

在漫威電影中提到的汎金屬,根據此名稱聽起來最接近的真實元素是釩金屬(Vanadium),不確定漫威電影是不是取材於此金屬,但釩金屬確實有一些稀奇的特性,在近代的能源材料研究中掀起熱潮。

一般的電池主要是根據氧化還原的方式來設計使得電子可以流通,透過陽極、陰極以及電解液組成一個電池,而陽極、陰極及電解液通常由不同的元素構成,因此一般電池的運作常會出現相互汙染的情形,進而影響其運作效能,直到電池無法如期充放電後,便成為廢棄物造成環境的污染。

電池結構。圖片出處 Wikimedia commons

 

然而,釩金屬的應用極可能可以改善此一缺陷,釩金屬的電子結構為[Ar]3d3 4s2〔編輯註:指電子在原子、分子或其他物理結構中的每一層電子殼層中的排列順序及排列形態。簡單來說,就是電子佔有軌域(orbital)的分布狀況。參考資料:科學Online。〕,它能夠以多重的氧化態呈現,透過釩自身不同的氧化鈦轉換能攜帶不同的電荷數,同時可以扮演陽極、陰極及電解液的角色,因而不會有不同元素相互汙染的問題[4],目前以釩製成的電池具號稱可以達到25年的生命週期[5]。

除了能源儲存,釩金屬具有高強度的結構,並且對於強鹼、強酸都極具穩定性。在金屬特性中,結構強度及延展性通常是相互矛盾的物理性質,若結構強度高,則延展性下降,因此在合金的使用上,根據不同的目的必須在兩項性質中作權衡,但若將釩應用於合金中,可以有效提升結構強度及延展性[6],並且提高對熱的耐受度,因此含有釩的合金可以被應用於更多的科技以及工業。根據以上的性質,若是我們可以同時將釩金屬用以吸收高能量脈衝波、能承受物理攻擊又能抵抗化學侵蝕,具有高結構強度又極富延展性,將釩金屬作為盾牌的主要材料看來也是不錯的選擇!

釩金屬。圖片出處 Wikimedia Commons

 

汎合金吸收能量增強結構,符合物理定律嗎?

漫威宇宙的虛構材料汎金屬,據稱可以吸收外來的能量,並且每當抵禦一次攻擊,其能量將使其材料變得更堅固。我們都知道「能量守恆定理」,被吸收的攻擊能量不會憑空消失,但跑去哪裡了呢?讓我們試著去了解看看幾種可能性。

若是攻擊的能量轉成了熱能,對於鋼鐵合金來說,若將其加熱並急速能卻,可以增加其結構強度,以分子的觀點來看,摻雜的碳原子因為被加熱,能夠在鐵的結構中移動,找到合適的位置填補在鐵原子之間,又透過極速的冷卻將碳原子固定在其間,使得鐵原子無法自由地移動。且以鋼鐵平面結構來看,由於加熱後結構中產生更多缺陷,平面與平面之間不再是平坦的,粗糙度增加使得鋼鐵更難以形變,以至於鋼鐵在加熱後會變得更加堅固。以金屬鍵結的角度來看,若是金屬原子帶著的正電荷越多,原子間的鍵結則會越強。

若以現實世界的釩金屬為例,如前述,它能帶攜帶不同的氧化態,或許吸收的能量被用以將釩原子游離出更多電子,使得整體金屬結構更為堅固。另一個可能則是,流動於原子間的電子數量變多,也會造成整體金屬結構更為堅固,或許美國隊長的盾牌抵禦雷神索爾的攻擊後,盾牌的反應機制便是遵循此路線。另一個可能則是,原子的體積變大了,使得原子之間的距離更靠近,但我認為這不太可能,這樣應該會立即引發核融合反應,這樣戲就不用演了。

汎合金是電影虛構的夢幻金屬,但釩合金是現實生活中的實用金屬,透過合金的概念,配合釩金屬的能量儲存,再加上對於金屬鍵的了解,或許有一天,釩合金也將成為現今的夢幻金屬,可以更進一步強化合金用品並解決能源危機呢!

 

 

參考資料:

  1. Wikipedia contributors. (2022, September 18). Vibranium. In Wikipedia
  2. Meteoritics & Planetary Science51, Nr 7, 1301–1309 (2016)
  3. Classification of Carbon and Low-Alloy Steels
  4. Vanadium: the ‘beautiful metal’ that stores energy
  5. INVINITY ENERGY SYSTEM
  6. Materials and Design 25 (2004) 521-5
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