课题组Minerals论文：古代青铜器锈蚀产物生长过程中的自发对称性破缺现象

青铜器是中国古代文物中的瑰宝，从夏商周开始就有了灿烂的青铜文明。在经历几千年土壤埋葬的过程中，随着土壤环境中水分、含氧量、离子浓度等不断变化，青铜器总会形成不同类型与结构的锈蚀。这些青铜器锈蚀可分为无害锈和有害锈。无害锈在正常环境中不会深入青铜基体而且颜色亮丽、纹饰优美，可增添青铜器的历史价值和观赏价值。有害锈则是指在正常环境下仍会不断侵蚀青铜基体的白绿色粉状锈，俗称“青铜病”或“粉状锈”。锈蚀机理是青铜锈蚀研究的重要理论基础。关于古代青铜器锈蚀机理的探讨一直是广大学者研究的重要内容，人们从物理、化学等不同角度对锈蚀机理进行了大量的研究工作。

一般来说，当古代青铜器发掘出土以后，或保存在博物馆，或保存在库房，或收藏在个人家中，也就是说是暴露在大气当中。在大多数情况下，古代青铜器在后期的收藏和保存过程中都会受到大气中湿度、CO2浓度和有害气体等因素的影响，从而在已有锈蚀表面生成所谓的“二次锈蚀”。有些二次锈蚀比较稳定，不会对青铜器造成危害，而有些二次锈蚀则会进一步加速锈蚀继续生长，对青铜器造成不可逆的损坏，这也是青铜器保护中一直困扰人们的问题。因此，对二次锈蚀生长与转化机理，及其与初次锈蚀关系的研究对青铜器的后期保存与保护具有重要的理论和实际意义。

2008年10月7日瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将“2008年度诺贝尔物理学奖”授予美国科学家南部阳一郎和两位日本科学家小林诚、益川敏英。授奖评语：自发对称破缺似乎早在宇宙诞生时就存在，但直到小林和益川于1964年通过粒子试验才向世人证实了这一“神秘存在”。南部阳一郎（Yoichiro Nambu）：发现亚原子物理的自发对称性破缺机制；小林诚（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）：发现对称性破缺的来源，并预言了自然界至少存在三代夸克。“自发对称性破缺（Spontaneous Symmetry-breaking）”被认为是物理学，甚至自然界中的一个普适性规律。对称性破缺理论认为原来具有较高对称性的系统，出现不对称因素，其对称程度自发降低的现象，或者可以叙述为：控制参量λ跨越某临界值时，系统原有对称性较高的状态失稳，新出现若干个等价的、对称性较低的稳定状态，系统将向其中之一过渡。研究发现大多数物质的简单相态或相变，例如晶体、磁铁、一般超导体等，可以通过对称破缺观点来理解。实际上在自然界中，有序性是相对的、暂时的和从属的；而无序性是绝对的、永恒的和自在的。

武汉大学物理科学与技术学院 潘春旭教授课题组 长期利用物理学和材料科学原理和方法对古代青铜器进行研究。

最近，课题组在梳理和综合前期研究数据和实验结果的过程中，发现古代青铜器“初次锈蚀产物”的晶体类型与“二次锈蚀产物”晶体类型之间存在有特殊的对应关系，即除了Gibbs自由能降低以外，晶体结构类型倾向于由对称性高的晶系向对称性低的晶系转变，而同一晶体类型的锈蚀则可以相互转化，即形成共生。这个规律非常符合自然界中的“自发性对称性破缺”现象。认为这种物质化学成分发生改变的锈蚀产物转变可以用“对称性破缺”理论和Gibbs自由能减少理论进行解释。提出了二个保护方案，即：1）如果“初次锈蚀”为无害锈，可以通过合理选择保护环境使产生的“二次锈蚀”为无害锈；2）如果“初次锈蚀”为有害锈，可以通过合理选择保护环境使产生的“二次锈蚀”为无害锈。为青铜器后期保护提供了科学依据。研究成果发表在《Minerals》（2020,10(8): 656）上。

相关论文信息：

Yanpeng Yang, Xiaojuan Cao, Yang Li (前三作者相同贡献), Zhongchi Wang, Bingjie Li, Xudong Jiang, Junji Jia andChunxu Pan: "Spontaneous Symmetry-Breaking in the Corrosion Transformationof Ancient Bronzes", Minerals (Special Issue entitled "Mineralogy, Trace Elements and Isotopic Tracersin Archaeometallurgy"), 2020, 10(8): 656 (14 pages)。 

 https://doi.org/10.3390/min10080656 

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