为了纪念元素周期表150周年，我们来看看研究人员是怎么研究一些元素的。
今天我们讲的是锡，一种单独存在用处不大的化学物质，但如果把它和别的元素混在一起，它将脱胎换骨。
说到锡，大多数人都会想到用来储存食物的锡罐头。我们用锡来防止罐头生锈（虽然并不是所有的罐头都含锡）。
尽管直到十九世纪早期人们才开始使用锡来制作罐头，把锡与其他元素混合可是从几个世纪前就开始了。
罐头中的锡可以有效的预防生锈。（图片来自：Flickr/Salvation Army USA West, CC BY）
锡——化学元素符号是Sn，是化学元素周期表上的50号元素——质地较软，呈银色，熔点仅232℃。乍一看，它似乎并不适合用于制作任何东西。不知怎么的，人类发现把适量锡加入铜中就能制造出一种美丽的金黄色合金，我们叫做青铜。我第一次对青铜产生兴趣是在1978年进行本科最后一年研究项目的时候。这种兴趣持续至今——我和同事正在泰国研究制作泰国古青铜手镯技术的逆向工程。首次被发现的锡青铜来自公元前5800年到4600年间的欧亚大陆高加索地区。这些极其稀缺的锡青铜样本可能是由天然同时包含铜和锡的矿石炼制而成的。大量证据说明，约公元前3000年，爱琴海和中东地区（土耳其、叙利亚、伊拉克、伊朗）的人们特意用锡和铜冶炼锡青铜，所用的矿石来自不同的产地。包含适量锡氧化物和铜氧化物的矿石在一次巧合下一起融化。而制成的金属一定拥有非常良好的特性，比如说硬度、颜色和强度，从而能够制造出高级武器或饰品才。工匠必须充足有条理才能重复出这冶炼过程，制造像剑、斧头、碗和手镯这样的工件。
这柄有着4000年历史的含锡青铜斧在瑞典被发现。（图片来自：Flickr/瑞典自然博物馆 , CC BY）
当时的贸易网络必须相当完善，才能从远方把比较稀有的锡送到铸造厂，比如阿富汗或英国西南部的康沃尔郡。冶金的方法必须由其他从业人员流传下去，很可能是口头流传。在此之后，把锡专门加到铜中的工艺传遍旧世界，在公元前2800年到达西欧，公元前2200年到达埃及，同期又到达人口稠密的中国北部平原，再在公元前1400年到达中国云南省，在公元前1100年到达泰国，公元前1000年到达印度南部（甚至可能比这早一两个世纪）。这引起了考古冶金学家们的激烈讨论，究竟关于锡的用途的知识是从中东的一个地方传出的，还是世界各地的匠人单独发现的呢？对于泰国和柬埔寨来说，有好几种说法：有的说这种技术是被独立研发出来的，有的说它是从中国南部被带过来的（或恰好相反，是从泰国东北部出口到中国的），还有的说它是从孟加拉进口来的。而在中国，一些当地的学者偏爱当地独立发现锡青铜的说法，尽管有证据表示这种知识是西亚的访客带来的。锡在殖民地时期前的非洲南部同样被开采过，还有一些青铜工件——比如说一些金属片和锭——在一些金属加工旧址处被发现。该地区的现有证据说明，生产和加工铁、铜和青铜的技术在撒哈拉以南的非洲地区同期出现，在北部于公元前500年开始，并于公元前300年到达南非。冶金术是怎么传到南非的呢？是东非班图的土著发现后随着移民传过去的，还是由中东一路往南传的呢？如果是这样的话，又是靠谁怎样传播的呢？与亚洲的情况一样，现代政治敏感性可能会影响对这样一些问题的解读。金工技术来源的问题，比如说，能生产出南非马篷古布韦古城中美丽的铜和金首饰的技术，还没有被解决。他们可以通过铸件生产像戒指、吊坠、体饰、镊子饰品、钣金胸甲、大圆盘、装饰盾等物品，更不可思议的是铃铛。尽管这种工艺大概在公元前1000年才出现在南美，然后很快就传入了西墨西哥。在中美洲，青铜的知识被认为是由海上贸易者从秘鲁和厄瓜多尔往北带到墨西哥的。显然，古世界的旧大陆和新大陆由长长的贸易线连接在一起，思想和锡一起得到传播。当质量比15%的锡被混入铜中，产生的合金在铸造时就会很脆，即便它的颜色还是温暖的金黄色。某人在某地发现，如果迅速将红热的金属放入水（或盐水）中淬火，它就会变得更柔软，相对更有韧性和可塑性。淬火工艺会在工件中留下一种针状微观结构（被称为马氏体），这种结构能通过显微镜观察到。这告诉考古学家，该部件的制作的完整过程相对复杂，而不仅仅是铸造。
高锡青铜工件中的针状马氏体的微观结构证明它们确实经过淬火。（图片来自：作者Michael Cortie提供）
当锡含量低于15%时，没有马氏体形成，淬火时也没什么神奇的事发生。热处理高锡青铜的结果有悖常理，因为当铁做同样处理时会变得又硬又脆。加强青铜硬度的方法如此特殊，以至于这种知识有很大的可能性是代代相传的。它能传遍旧世界，说明一定有知识渊博的人长途跋涉来到异国的土地上。这些工件在欧亚大陆和非洲到处出现，正是古时全球化的一个标志。另一种元素古青铜中还用到了一个技巧，虽然它可能是在多处被独立发现的。在青铜时代晚期或铁器时代早期（大约公元前500年）的某个时候，人们在铸铜的过程中加入了铅。这使融化的金属流动性更强，这样液体金属就能流入模具中，制造出精巧细致的浮雕图案。作为元素单质，铅不如锡那样有光泽和美丽；它的密度更高，能在像方铅矿（硫化铅）这样的矿石中找到。已知最早的含铅青铜出现在中国（公元前500年到公元前200年）。同样，这显然是专门的工艺创新；同样，它很快地传遍了欧亚大陆。随着更多的像泰国东部那样的遗址被发掘出来，以及合金组成和年份的数据库增大，要弄清古时贸易、移民和科技传播的路线就越来越有可能。锡的存在和使用就像冶金DNA一样，是一种古文化和人员流通的标志。