铝的奇妙变变变

我们在打开易拉罐食品时，常能听到父母说“小心，不要被拉到啊”。易拉罐的开口处锋利的缘由是什么呢？它的主要构成材料又是什么呢？它又为何有这样的特点呢？它还在哪些领域扮演重要角色呢？接下来就让我们一起去探索这一系列的问题吧！

一、铝罐拉盖

目前随处可见的饮料常有易拉罐的包装，口渴了，只用轻轻一拉，就可以喝到可口的饮品，而易拉罐是艾马尔·克林安·弗雷兹于1959年发明的[1]，这一发明是金属容器经历了50年的漫长发展之后的一个历史性的突破。同时，也为制罐和饮料工业发展奠定了坚实的基础。而在易拉罐的制作中使用时间最久，消耗量最大的材料当属铝合金了。铝合金是在铝中加入一种或多种合金化元素而产生的，铝是密度低、延展性优异的轻金属，也正是这样性质让它成为易拉罐的适配材料，铝合金可以完美的满足易拉罐的需求，但铝也是一种低毒金属元素，长期食用铝含量过高的食品，也会对人的记忆、思维产生影响。因此我们常喝的易拉罐饮料会在内壁加一层涂层，铝金属的优秀的塑型延展能力也是拉盖能成功的缘由之一。

图1.易拉罐 （图源自网络）

二、铝的简历

铝主要是以化合物的状态在自然界中存在，是一种金属元素，英文名 Aluminium，符号为Al，在地壳中的含量处于氧（45.5％）和硅（25.7％）之后，是地壳中含量最高的金属元素。许多闪闪发光的宝石都是含有杂质的氧化铝，如红宝石就是含Cr元素的氧化铝。单质铝呈现银白，质韧而轻，铝与空气接触会形成一层非常薄的氧化铝薄膜，也是这样的原因铝才能具有良好的抗腐蚀能力，不仅如此铝既可以和强碱物质反应，也可以和稀的强酸（浓盐酸、浓硝酸中铝表面会氧化）发生反应，这是铝与其它金属物之间的最大区别。

 图2.铝块（图源自网络）

三、人类与铝的交集

铝的英文名是出自明矾（alum），即人们常说的十二水硫酸铝钾。人类早在公元前5世纪时就有使用明矾的记载，人们那是常常采用铝盐去做木头的耐火涂层，收敛剂和染料。直到英国化学家戴维在1807年时电解熔融状态的氧化铝，试图分离出铝元素，虽然没有成功分离，但这一次的尝试也为日后的科学家们提供了新的思路。随后1825年时丹麦化学家厄斯泰德将制作好的钾汞齐去还原无水氯化铝，这一次的实验第一次分离出了不太纯的铝单质。两年后德国化学家维勒改进了之前的分离实验，采取金属钾与无水氯化铝反应，这一实验改进制备出了较为纯净的单质铝。这两种单质铝的制备方法都有较高的成本，难以做到大规模的工业生产，因此铝虽然是地壳中含量最高的金属元素，但在很长一段时间里铝的价格远超黄金等贵金属。直到1886年，年仅21岁的美国豪尔和法国埃罗分别独自采用了电解的方式成功的制备了金属铝[2]。电解法的制备方法完美的代替了采用金属钾制备的方式，由此金属铝开启了大规模生产的形式。这样的研究历程经过了漫长的时间，正是一位又一位的科学家们不断去探索发现，才让铝走进千家万户。

以铝矾土矿（主要为Al2O3）为原料制取铝的步骤，首先是将铝矾土矿用碱溶液或碳酸钠处理得到铝酸盐，然后将得到的铝酸盐溶液静置后除去不可溶的杂质，向得到的澄清溶液中通入二氧化碳使铝酸盐发生水解，得到氢氧化铝和碳酸钠，将得到的氢氧化铝进行过滤分离等操作以得到合适电解的纯净氧化铝进行电解。分离出的碳酸钠可以再次用来循环提取铝矾土矿，以实现资源的高效利用。

四、铝的应用

铝制品在人们的日常生活中随处可见，如开头所说的易拉罐，食品包装、铝锅、化妆品等等领域都可以看到铝的身影。但铝的低毒性一直饱受争议，人们对铝的潜在毒性进行了几十年的研究探讨后，欧洲食品安全局根据多年的研究数据分析探讨后，于2008年7月发布声明表明通过食品接触到铝不会增加阿尔茨海默氏症的风险。

其次是制造业上，铝的质轻特点，让其良好的运用在电缆和无线电缆等相关行业，铝合金也仍能保有质轻的特点，且其的机械性能也能得到良好的提升，被称作是“会飞的金属”，因此铝合金制品广泛的运用在制造业中，如汽车、飞机、船舶等行业。

在航天航空领域，由苏联于1957年发射“斯普特尼克一号”是世界上的第一个人造地球卫星，其结构主体就是采用铝合金制作而成的。铝不仅可以运用在外型制作上，同样还在火箭助推剂中担任了重要的角色。铝粉的直径极小，仅有几微米，这样的特点使得其能够快速燃烧，生产金属氧化物，起到抑制振荡燃烧的作用，用来提高火箭推进剂的密度和热量，从而提高燃烧的稳定性。

五、铝的新机遇

泡沫金属材料是一种兼具金属和多孔材料特性的一种新型结构材料，泡沫铝材料是众多同样结构的材料里最具有应用潜力的材料，以成为当前的研究前沿，被称为是“金属明星”。最早的泡沫铝研究可以追溯到1948年，人们提出了汞在铝中产生气化这一想法，在这一设想提出的3年后泡沫铝被成功制备，由此开启了泡沫金属的时代。近几十年来泡沫铝材料迅速发展，但由于其较低的比刚度和比强度严重限制了其在工程方面的应用[3]。至今关于泡沫铝材料孔结构的定量分析的研究还有所欠缺，也还未找到泡沫铝结构与性能间的影响模型，能否发展和研制出高性能的泡沫铝材料是未来的主要研究方向。

图3. 泡沫铝结构（图源自参考文献3）

自1959年纳米技术的提出，便开始了飞速的发展，金属纳米材料也开始被广泛关注，其制备方法主要有物理法和化学法两种。物理法包括有电爆炸法、光刻法等，其中光响应对于材料的尺寸、表面形貌有着较强的依赖，由此较多研究学者们常采用EBL技术来改变粒子的尺寸形貌。铝纳米材料作为表面等离子体材料有着价格低廉、含量丰富等优点。研究者们曾采用铝纳米技术对莫奈的《日出·印象》进行重现[4]，达到了更高的分辨率（如图）。

图4 使用铝纳米结构重现的画作（图源自参考文献4）

铝作为“年轻的金属”，它的发现和制备历经了研究者们漫长的研究，也正是学者们的不懈努力才使得它能够被广泛的运用在生产生活中，未来也会不断有更多的铝相关材料被探索，为未来社会发展提供坚实基础。