本栏目由 “世界科学”和 “赛先生”联合出品
本篇报道围绕2018年上海市科技进步奖一等奖项目《古陶瓷科技信息提取关键技术及其在考古和文化传承中的应用》展开，该奖项由中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、上海大学教授罗宏杰领衔的团队获得。
中国最早发现的陶器位于江西万年仙人洞遗址，距今有8800年的历史。最早发现的原始瓷器出现在商周时期，距今已经有4000多年。
在古陶瓷的生产中，我们祖先后创造出了诸如原始瓷器、青瓷、白瓷、青花瓷器等等，这些种类繁多、玲琅满目瓷器的出现，给世界带来了一个又一个惊喜，也由此协同催生了海上与陆上丝绸之路的兴起与繁荣。这些精美绝伦的瓷器 （china） ，后来也成为了中国的代名词。
古陶瓷中究竟蕴藏着什么样的智慧？
它们经历了什么样的科学发展过程走到了今天？
这些科学奥秘能否造福今天的生活？
我们怎么才能把先辈留给我们的这些宝贵财富，完整无损地交给子孙？
中国古陶瓷发明创造对世界文明的贡献是什么？
带着这些问题，让我们跟随罗宏杰教授，一起走向神秘的古陶瓷世界。
古瓷“窑变”是如何形成的？
窑变简单来说，就是古代工匠按照传统的配方进行陶瓷烧制，但是烧出来的某些陶瓷与以往的不一样。
古人对窑变有很多的记载。如《清波杂志》说： “饶州景德镇，大观间有窑变，色红如朱砂。 物反常为妖，窑户亟碎之。 ”
久而久之，窑户们反而发现其形态极美，或如灿烂云霞，或如春花秋云，或如大海怒涛，或如万马奔腾，因而被视为艺术瓷釉为人们所欣赏。如宋代河南禹县钧窑生产的铜红窑变，可谓变化莫测，鬼斧神工。
“窑变”是瓷器在烧制中产生的不确定性产物。有些陶瓷的颜色十分炫目，而且古代工匠似乎也无法控制这种情况的发生，但是为什么会出现这种窑变情况，当时的人没有能力去解开谜团。其形成机理长期以来缺乏研究。
罗宏杰介绍说，事实上，古陶瓷窑变的核心是釉颜色的变化，所谓釉就是陶瓷制品表面的无色或有色的玻璃质薄层，一般是用矿物原料（长石、石英、滑石、高岭土等）和原料按一定比例配合（部分原料可先制成熔块）经过研磨制成釉浆，施于坯体表面，经一定温度煅烧而成。但是在高温下，釉内部会发生一些结构变化，这是产生窑变的根本原因。
这种变化是一种分相变化，之前的釉体是透明均一的，但是在一定高温和外部条件下，釉体内会分出许多小团簇，就相当于水中出现了大量的油滴，并且均匀地混合在一起，这会使得釉内部的化学组成进行重新分配。当分相的单元在空间规则或近规则排布时，就形成了当今科技界的研究热点之一的光子晶体或非晶光子晶体材料。
光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性结构的人工设计和制造的晶体。
罗宏杰介绍说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其他波长的光。通俗来说，也就是通过结构产生物理着色，物理着色和化学着色剂无关，单纯和物质的结构有关系，在特定的结构中，有些波长光被完全吸收了，有些波长的光被加强了。
这种现象在自然界中也经常出现，比如我们会发现有些鸟特别漂亮，但如果单单观察它的一根羽毛，我们会发现并没有什么特别之处，产生艳丽之色的其实是鸟羽毛上特殊的自然光子晶体结构。
所以古陶瓷的窑变颜色，其实就是光线进入到陶瓷光子晶体非晶光子结构产生的结构色和釉中化学元素着色的复合体。
在产业中有诸多应用
罗宏杰领衔的团队成功利用古陶瓷分相-析晶及结构呈色原理，研发了低温快烧自生分相-微晶乳浊釉、矿渣仿古窑变瓷釉，以及由SiO2等微球自组装形成的光子或非晶光子晶体色料，所开发的技术已成功应用于现代瓷釉生产中，古为今用，取得了良好的经济与社会效益。
罗宏杰表示：
目前他和他陕西科技大学的同事正在从事非晶光子晶体色料的研究工作，这种色料不需要着色剂的特殊“色料”，不但可以作为传统陶瓷的装饰“色料”，而且比传统色料具有更好的视觉效果；
和中国科学院上海硅酸盐所研究团队利用瓷釉分相原理，开发无需乳浊剂的乳浊釉。
乳浊现象在我们日常生活中很常见，比如牛奶就呈现出一种乳浊现象，我们的眼睛无法透过这一层层乳液，看到液体的底部。而我们日常用的洗脸盆、现代厕所中的台盆和座便器之所以看上去洁白干净，也是利用了乳浊原理，生产企业会在陶瓷透明釉中间加很多硅酸锆颗粒，搅合均匀后，硅酸锆就让透明釉产生了乳浊现象，盖住了底色中不太好看的陶瓷本色。
硅酸锆的原砂为锆英石，在中国这种原料比较稀缺，我国高档硅酸锆的原砂主要为进口的澳洲优质锆英砂，有些科学家还认为硅酸锆有一定的放射性。
罗宏杰的团队利用古陶瓷中获得的特殊结构模式，调整玻璃的结构和成分，以强化瓷釉分相结构中的界面折射率差，产生可以替代硅酸锆的异相颗粒，产生相似的乳浊效果。目前该项成果已经在很多企业进行了实际应用。
罗宏杰在分析古陶瓷的工作现场
古陶瓷是潜在的宝库
之所以能够在产业界获得如此重要的技术突破，和罗宏杰团队几十年来倾力打造古陶瓷的大数据库有紧密关联。
在对古陶瓷的研究中，研究团队发现，不同地区、不同时代，不同窑口古陶瓷具有不同的特点，从20世纪80年代开始，他们就着手建立中国古陶瓷标准的科技谱、古陶瓷综合断代断源分析方法、鉴定的规范体系，这套综合分析方法包括研究陶瓷的化学组分、显微结构、烧成温度、光谱信息、器型结构和颜色，在鉴定中还注意保存古陶瓷碎片，这些古陶瓷碎片都来自全国各地的考古发掘团队。这样的研究模式可以让古陶瓷研究更加客观化和科学化，同时，为后续源源不断出现的新技术应用奠定了研究样本基础。
21世纪初，罗宏杰的科研团队还曾经为国家司法部门提供鉴定服务，也为考古部门提供古陶瓷断源断代的鉴定服务。
罗宏杰的团队在20世纪90年代初专门建立了针对古陶瓷的多元统计分析的软件，利用古陶瓷大数据库内的大量样本，开展更加深入的研究工作，他们在研究中发现了一系列中国古陶瓷发展演变的规律，窑变机理的应用是其中的重大应用。
今天，他的团队还在致力于做更大样本、更多信息的古陶瓷数据库，并致力于数据采集标准的建立，以帮助全国更多单位能在一个语境下共享、共用数据库，打破数据“千岛湖”，为大数据的应用铺平道路。
未来的古陶瓷鉴定的发展路径可能和中医现代化相似。罗宏杰说，中医原来有号脉、观相、看舌苔等方法，现在中医发展了数字化模式，将中医看病的各个过程用仪器和参数表达出来。未来古陶瓷鉴定将与高科技携手向前，逐步走向将古陶瓷器型、纹饰、颜色等外观信息数字定量化，并与古陶瓷多种内在科技信息相结合，利用大数据分析的方法，科学而客观地给出古陶瓷的地域归属（断源）、时代归属（断代）以及真伪甄别（鉴定）。
另外，其中的古陶瓷器型结构的可解释性简化方法，必将支撑考古学中的“类型学”研究，也可为器型结构变化与文明关系的研究带来更多的科学方法。
在罗宏杰看来，古陶瓷是一个还没有被充分挖掘的宝库，我们可以向千百年前的古人学习，古为今用，证实历史和补充历史，把中国文明梳理清楚，也可以将古陶瓷中研究成果应用于现代陶瓷生产中，开发出高质量、低成本的陶瓷产品。
做好文物保护，将更脆弱古陶瓷完整交给子孙
大家经常可以通过各种渠道获悉：某某彩绘陶器文物出土时很快受损，某某陶器出现粉化等等。罗宏杰团队在研究古陶瓷的同时，非常重视脆弱性古陶瓷的保护工作。
在描述这方面工作时，罗宏杰兴奋地说，我们是一个文物医生。给文物治病时，我们必须首先了解文物是什么（即文物是由什么材料“组成-结构-性能”的关系），其次要了解文物病害的形成机理，再就是要依据文物的病害有针对性地研制保护文物的“药品”，最后还要研制其中所设计的治疗技术、检测装备等等。
在这个领域的工作中，罗宏杰团队发明了一种薄荷醇类临时固性材料。在考古发掘现场，当这些材料分别以液、雾、气等形态进入文物体内并覆盖文物表面时，能有效提高文物强度、保持文物完整形貌，协同VO2智能温控材料共同降低环境突变对文物的毁灭性损害，在后续保护前又能从文物中可控挥发、无残留、不损害文物，且不受地域、气候、季节的影响。这些材料在抢救性保护文物方面所表现出的有效性、安全性、可控去除性、应用便捷性等综合性能，均优于国际主流材料。
薄荷醇类临时固性材料简单易得，成本很低，效果良好。一经推出后，立刻风靡了整个中国考古界，70多个考古工地都采用了该项技术，累计抢救了几千件文物。
最近，他们科研团队还在研究被称为文物癌症“盐害”的成因与预报方法，设计合成更多的文物保护新材料新技术。
罗宏杰说，文物保护新材料新技术领域的研究十分宽泛，大量的问题等待着科学家去探索和破解，欢迎更多的年轻人加盟到这个朝阳学科，携手把祖先留给我们的宝贵财富完整交给我们的子子孙孙！
“世界科学”联合“赛先生”微信公号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。
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