雜質說(1)——從古代鑄劍到現代科技不純之力
最近，總統賴清德以「鑄劍去雜」來比喻民主社會淬鍊的過程，引起了社會上廣泛的討論，從科學角度來看，雜質真的是壞東西嗎？本文從古代百鍊鋼的鑄劍工藝談起，帶領讀者一窺雜質如何精妙地強化材料、改變性質，甚至在現代科技扮演關鍵的角色，讓我們一起揭開雜質背後的物理真相，看它如何在科技世界中「點石成金」。
撰文｜黃鼎鈞
最近，總統賴清德公開演說中提到：「這八成民意要透過一次又一次的選舉罷免、一張又一張的選票，像打鐵鑄劍一般，一錘又一錘，千錘百鍊百鍊成鋼，打掉雜質，淬煉出捍衛主權守護民主鋼鐵般的意志。」這一個政治上的雜質說引起台灣社會廣泛的討論，不過，今天我們不談政治，而是要以科學的角度來探討物質世界的雜質。「去掉雜質」這樣的說法在直覺上很合理，因為我們總認為「純淨」才是好東西，而「雜質」總是與「骯髒」、「劣質」連結在一起，不過，在物質世界中卻不總是如此，甚至雜質的存在成為了強化物質的關鍵。
為何鑄劍要求去除雜質？
古代鑄劍的主要材料是鋼鐵，所謂「鋼」，其實是鐵中摻入了少量碳（通常在0.2%到2%左右）的合金，這一點碳，雖然在成分上可以說是「雜質」，卻是讓純鐵變得可硬可柔、可斷可韌的關鍵元素，若鐵中碳含量太高，鋼會變得太硬而脆；碳含量太低，鋼則軟而無力。這就是為什麼「去除雜質」的煉鋼技術，其實目標不是讓鋼「純」到只剩鐵原子，而是精準控制雜質的比例與型態，因此鑄造利刃可以說是一個工藝。中國古代的「百鍊鋼」，講的其實就是這種「控制雜質」的工藝，鍛造者透過不斷折疊敲打，把碳含量過高的鑄鐵與純鐵反覆混合，最終達到一種理想的中庸比例；同時，這樣的鍛打也能逐漸排除其他有害的非金屬雜質，例如硫與磷，這些元素若殘留在鋼中會破壞晶粒邊界，使鋼材更容易脆裂。因此，精確來說，鑄劍的過程是去除有害的雜質、保留必要的雜質，讓一切的雜質恰到好處，使其成為真正的神兵利器。
雜質如何點石成金
這不只是傳統工藝，在現代材料科學中，更是一門精密的物理學。在固態物理的語言中，所謂「雜質」，可以是金屬晶格中的外來原子或缺陷。從機械性質來看，這些看似「錯誤」的東西，其實恰恰是讓材料變強的重要來源。例如：當鋼中摻入如鉻 (Cr)、鎳 (Ni) 等元素時，這些外來原子會擠進鐵原子本來整齊排列的晶格之中，就像一個體型特別大的球擠進一堆乒乓球堆裡，會撐開周圍的空間，造成周圍原子的應力變化——這種變化在物理上稱為「局部的彈性場」——這樣的應力會讓晶體內部的「位錯」（類似晶格滑動的缺陷）移動變得困難，從而讓鋼的塑性變差、硬度變高，換句話說，就是讓鋼更硬、更不容易被刮傷或變形。
以稀磁性半導體為例，科學家們發現，即使是將極少量（通常不到1%）的鉑金 (Pt) 這類原本不具磁性的金屬原子摻入到半導體材料中，也可能改變材料內部電子的排列與互動方式，這些摻雜原子會改變電子的自旋排列，使整體材料出現類似鐵的磁性（即鐵磁性）。就好像原本是一群毫無方向感的人走在路上，但加入幾位領頭者後，大家開始往同一方向前進。這種「引導」效應來自摻雜原子所造成的局部磁矩與電子交互作用，這也是磁性半導體研究中非常重要的發現。這些例子告訴我們，適量、適當的雜質，其實是賦予材料特殊性能的「調味料」，完全的純淨反而會讓金屬變得過於軟弱，失去應對外界衝擊與壓力的能力。
關於科學上的雜質說，我們在下一篇文章，將從固態物理的角度出發，探討雜質對於半導體工業發展的重要性。因為雜質的存在，能讓透明的材料發光、非磁的材料有磁性，甚至讓絕緣體變超導。這些看似微不足道的原子變動，實則是打造現代科技世界的無名英雄，讓我們一探究竟，雜質如何顛覆我們對「純淨」與「不純」的直覺認知。
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