兵马俑身上的紫色竟是量子材料？上科大科研团队揭示千年前“中国紫”合成之迷

近日，秦始皇帝陵博物院传出消息，考古人员在秦兵马俑二号坑中发现了一尊罕见的高级军吏俑。

而兵马俑身上常见的“中国紫”合成之谜也被上海科技大学物质科学与技术学院王竹君教授和刘志教授等科研人员揭示。他们利用自主研发的电子显微镜完成这一成果，为我国古代材料研究提供新的思路。

今年，恰逢秦兵马俑考古发掘50周年。据悉，上海科技大学与故宫博物院、秦始皇帝陵博物院等机构的合作，致力于推动“中国紫”等相关研究成果的共享与应用，最新成果预计将于2025年发布。

首次尝试将电镜技术应用于古代材料研究

“2003年，当我首次在西安参观兵马俑时，看到1号坑外的大厅里正展出两个带颜色的俑人，其中，跪射俑的袍子是紫色的。”这抹紫色当即引起了上海科技大学物质科学与技术学院副院长刘志教授的极大兴趣，其所在学院的多个团队就此开展了相关研究。

“紫色在古代是自然界中极难获得的一种色彩，历史上少有天然的紫色颜料。”王竹君介绍，在秦代，中国人的服饰主要以黑色、紫色和红色为主，其中紫色主要来自于贵族所掌握的特殊合成工艺。

虽然秦人并不了解紫色颜料的微观结构，但他们已经掌握了通过硝砾五石合成“中国紫”的技术。王竹君团队通过对兵马俑紫袍驭身上的紫色颜料分析发现，这种合成技术早在战国时期就已出现。

一项更有趣的发现是，检测战国至秦汉墓葬中的“中国紫”样本，发现其纯度约为30%，而兵马俑的紫色纯度则高达95%以上。

“‘中国紫’合成的产品品质因使用者社会地位不同而有所差异，这意味着，古人对利用复杂化学反应合成紫色颜料的技术，已运用得炉火纯青。”王竹君解释。

然而，“中国紫”合成工艺在东汉后消失，直至1997年，国外学者成功合成“中国紫”，并在样品上观测到“波色-爱因斯坦凝聚”现象。正是据此，“中国紫”成为目前人类已知的最早的人工合成量子材料。

2000年前后，国际上涌现了一批关于“中国紫”的论文和成果，但当时科研人员合成“中国紫”主要采用水热法，这与中国古代合成“中国紫”的方法不同，相较于兵马俑中纯度高达95%以上的紫色仍有一段距离。

古人是如何掌握这项合成技术的？通过现代科技能还原古人的烧制工艺吗？

“原位电子显微镜观测技术能够帮助科研人员在非平衡态下对物质的微观结构一探究竟。”利用专业优势，王竹君带领团队以科技助力考古，在国际上首次尝试将电镜技术应用于古代材料研究，“我们尝试在原子尺度揭秘千年前的合成技术，并由此一窥彼时的生产生活与社会文化，为探寻不确定的历史提供一种思考方式、一种可能性。”

历时3年60多组实验，得到纯度接近100%的“中国紫”

在上海科技大学物质科学与技术学院的地下一层，记者跟随王竹君走入电子显微镜实验室。

“‘中国紫’中存在一种自然界中未曾发现的独特物质——硅酸铜钡。硅酸铜钡的制备条件较为苛刻，需要将青石绿、重晶石、硫酸钡、石英等多种物质混合在一起，在1000℃左右的高温下进行反应。”通过原位电镜成像技术，王竹君向记者展示，“最亮的这个是钡，其次是两个铜原子形成的孤立‘对子’，结构单元中间夹着一层硅。”原子级的图像将“中国紫”解构清晰地展示，这抹紫“化身”一颗颗紧密相连、明暗相间的小球。

“我们的工作实际上是通过答案反推‘解题过程’，研究人员将合成‘中国紫’所需原料放到原位电镜里，在原子尺度极端环境下观察晶体的生长过程，去还原古代的烧造工艺。”说来简单，实际操作却很难。

王竹君揭开这项工作背后鲜为人知的艰辛——历时3年60多组实验，不断调整硅酸铜钡原料的比例以及相应的结晶工艺，最终才得到纯度接近100%的“中国紫”。

为了模拟所需条件，全程还原“中国紫”的烧制细节，团队还花四年自主研发并搭建了国际上唯一的表面敏感扫描电子显微镜。“在激光加热环境气氛下，烧制温度可达1000℃以上，通过这种方法，各种纯度的‘中国紫’都可以被合成。”王竹君说。

可以说，“中国紫”的合成研究不仅拓展了材料科学的边界，还为考古领域带来了新的研究视角，让历史在科技中重生。

作者：李晨琰 张菲垭

文：李晨琰 张菲垭图：张菲垭编辑：李晨琰责任编辑：姜澎

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