05.25 現代玻璃材料科學之父——奧托·肖特

撰文 | 吳限 德國弗萊貝格工業大學

玻璃作為一種常見的無機固體材料，已被人們使用了幾千年，埃及、美索不達米亞、中國、歐洲都有關於當地早期玻璃製造和使用的考古發現。今天，玻璃已然滲透到了人們生產生活中的各個領域，小到溫度計，大到空間望遠鏡，可以說，當今世界已經離不開玻璃。回看歷史，實際上在很長一段時間裡，玻璃的用途極為有限，人們主要將其用作裝飾物、工藝品、器皿和建築材料等，其製造工藝在很大程度上依賴著玻璃匠人代代相傳的經驗方法。直到19 世紀中後期，情況才開始有了明顯改變，玻璃的種類和用途開始迅速擴大，一系列特種玻璃相繼問世，玻璃工業隨即“量子躍遷”成了極具創新力和擁有廣闊應用前景的工業新領域，而促成這一變化則主要歸功於當時的一位德國科學家和企業家，正是他開創了用現代科學方法來研究和開發新型玻璃，從而賦予這個具有數千年使用史的傳統材料以無以倫比的活力，此人就是本文所要敘述的現代玻璃材料科學之父—— 奧托·肖特(OttoSchott)。

肖特早年生涯——從出生到博士

肖特1851 年12 月17 日出生在德國西部的維滕市，其父親西蒙·肖特(Simon Schott)是個傳統的玻璃工匠，與人共同經營一個玻璃作坊。這樣的家庭環境顯然對肖特今後的職業生涯產生了重要影響。1858 至1865 年間，肖特在出生地維滕接受小學和職業中學教育。1867 至1869 年，他在離維滕不遠的哈根市的皇家省級職業學校繼續接受教育，該校重視自然科學，肖特在此對物理和化學產生了濃厚興趣，據肖特回憶，對於這兩門科目，他始終能夠取得優異的成績。畢業後，肖特遊學於法國北部，在那裡參觀了包括化工廠、玻璃廠和煤礦在內的多家企業，並結識了一位來自西門子公司(該公司不是指通常所說的電器西門子公司，而是由西門子家族的第一成員掌管的玻璃製造廠，當時以開發出新型玻璃熔爐而聞名)的工程師，他們彼此間產生信任，這位工程師帶肖特前往比利時，並在那裡又參觀了熔爐製造廠和制鏡廠。回到德國後，肖特以志願者身份在哈根附近的一家生產酸鹼鹽的化工廠工作，該廠的主管埃爾伯斯(L. Elbers)是大名鼎鼎的德國分析化學家——伏累森紐斯(C. Fresenius)的學生，他向肖特傳授了化學定性和定量分析的相關知識。

1870 年，肖特前往亞琛工業大學，開始了他的大學生涯。在亞琛，肖特選擇化學作為他的專業方向，在那裡工作的蘭多爾特(H. Landolt)教授給他留下了深刻的印象。蘭多爾特是德國著名化學家，以用物理方法研究化學而著名，他與伯恩施坦(R.Börnstein)一同編撰的《物理化學數據表》乃是自然科學領域的經典文獻。而肖特所欣賞的正是蘭多爾特將物理與化學相結合的研究思路。在亞琛期間，肖特在蘭多爾特的實驗室用容量法對鋅進行了分析測定，並將結果發表在《伏累森紐斯分析化學學報》上，這應該是肖特發表的第一篇科學論文。1873 年，肖特轉至維爾茨堡大學，目的是為了追隨在那裡任教的工業化學家瓦格納(R. Wagner)。但是，令肖特沒料到的是，瓦格納在維爾茨堡大學沒有自己的實驗室，其研究偏重理論而非實踐，對於這一點，肖特感到頗為失望，於是便又轉到萊比錫大學，在那裡加入了農業化學家克諾普(W. Knop)的實驗室。克諾普非常信任肖特，甚至允許他在實驗室從事玻璃方面的研究。

肖特畢業心切，很快於1874 年6 月19 日向萊比錫大學哲學系提交了關於玻璃製造的博士論文(萊比錫大學建於1409 年，是一所年代久遠的德國傳統大學)。論文主審人為柯爾貝(H. Kolbe)和施託曼(F. Stohmann)。柯爾貝是當時很有名望的化學家，曾首次合成出醋酸，並首次在化學中提出“合成”概念，1865 年擔任萊比錫大學教授之前，一直作為德國化學泰斗本生(R. Bunsen)的繼任者在馬爾堡大學任教。初閱肖特的論文後，柯爾貝一方面覺得自己對玻璃製造方面知之甚少，想聽聽施託曼的意見，另一方面也指出，該論文的文字表述不夠專業。施託曼則認為，論文總的來說沒有問題，建議批准答辯。然而，柯爾貝在讀完整篇論文後再次提出意見，認為肖特論文的文字表述有嚴重問題，完全不符合一個經過專業訓練的化學家的標準，要求作者拿回去修改。肖特作修改後，提交柯爾貝，柯爾貝看後將其直接退回，理由是隻有第一部分作了修改，而其餘部分則沒動。同年12 月16 日，肖特將論文第二次正式提交萊比錫大學哲學系，主審人為柯爾貝和齊爾科(F. Zierkel)，這次，柯爾貝給的評語措辭更為嚴重，認為肖特缺乏取得博士學位的基本能力，明確表示不予通過。齊爾科也表示不予通過，審核團其他成員大都也給予差評。柯爾貝甚至建議哲學系不要將論文退還肖特，以免肖特拿它向別處提交博士申請，但肖特還是想辦法要回了自己的論文。在導師克諾普的建議下，肖特於1875 年1月13 日將論文遞交給耶拿大學哲學系(耶拿大學建於1558 年，同樣極富歷史傳統)，經過審核團12 名成員的評議與審核，最終認為肖特的論文合格，可以進行答辯。其中，化學教授高特(A. Geuther)評論道，肖特通過自己的實驗，對玻璃的形成和去玻璃化從基本層面作了詳細闡釋，論文沒有問題，准予答辯。答辯在同年2 月6 日下午3 時進行，考官為化學教授高特、數學與物理教授斯奈爾(K. Snell)以及自然史、礦物學和地質學教授施密特(E. Schmid)。結果肖特順利通過答辯，當天即獲得了博士證書。

肖特的博士論文題為《論玻璃製造的理論與實踐》，共60 頁。引言部分的第一句寫道“玻璃製造一直缺乏科學研究”，一針見血地指出當時該領域存在的問題。論文主體列為三部分，分別從原材料、熔融和結晶產物方面進行了詳盡闡述。在原材料部分，肖特提議使用硅酸鈉或使用石膏、硫酸鈉和碳的混合物，以減少硫元素的損失。在熔融部分，肖特將此過程劃分為兩個階段，即真熔融過程和澄清過程，前者是化學過程，後者則主要是物理過程，通過實驗證明，只有通過緩慢加料，才能達到完全熔融狀態，從而避免缺陷的生成。肖特還仔細研究了硫酸鹽熔融過程中發生的化學變化，證實了硫酸鹽與一氧化碳反應，產生出二氧化碳。最後，在結晶產物部分，肖特研究了所謂的去玻璃化即玻璃結晶現象。在此，他將表面結晶和整體結晶區分開來，並提出了其可能的機理。他認為，玻璃是晶態硅酸鹽溶於非晶態硅酸鹽的固態溶液，結晶過程即為前者析出過程，他力圖從分子動力學角度進行解釋，並通過實驗予以證明。肖特還在論文中精心繪製了許多插圖，配合文字說明所述論點(圖1)。

圖1 肖特博士論文中的一些描述玻璃結晶的插圖(圖片來源：

Jürgen Hendrich, Otto Schotts Dissertation Jena 1875, Jena: Verlag

Dr. Bussert & Stadeler, 2001)

總體而言，肖特的博士論文嘗試通過科學理論和科學實驗，對玻璃製造過程中所觀察到的現象作出基本層面的解釋，並提出改進措施，按照今天的標準，乃是一篇富有創新思想的研究型論文。該論文之所以被萊比錫大學的審委會“封殺”，現在看來主要有如下幾個原因：首先，玻璃製造在當時被看作一門技術，而非科學(正如肖特博士論文第一句所強調的)，當時的一些較傳統的科學家不太能接受一篇論文涉及較多的“技術”問題。其次，論文主審人柯爾貝雖然學術名望頗高，但也以其對學術新思想不夠寬容而著名，例如，當年輕的範特霍夫(J.van’t Hoff，第一屆諾貝爾化學獎獲得者)提出碳的立體化學概念時，柯爾貝便不分青紅皂白地嘲笑他的觀點，不把他放在眼裡，而後來事實證明，範特霍夫是對的。另外，柯爾貝在成為教授之前，曾擔任科學編輯和作家，說明其文字功底很強，他拿自己的文字水平來衡量肖特的論文，於是得出了上文提到的負面結論。第三，肖特畢業於一所職業中學，而非更高一級的文理中學，這使得其簡歷看上去不夠“上檔次”，給論文審核帶來了負面影響，關於這一點，肖特自己曾有所提及。實際上，這種“簡歷偏見”在現今的德國社會依然存在。受肖特耶拿玻璃基金會資助，由耶拿大學保管的肖特博士論文被加以編輯整理，於2001 年由德國布薩特-施塔德勒出版社以書籍形式重新出版。

耶拿三傑——蔡司、阿貝和肖特

取得博士學位後，肖特回到之前離家鄉不遠的化工廠，在那裡從事玻璃研究至1878 年，之後乾脆把家中的地窖和閣樓當作實驗室，繼續開展他的研究工作。1875~1881 年間，肖特發表了多篇論著，包括《玻璃熔融的化學過程》和《關於普通玻璃的結晶產物》(這兩篇的內容分別是其博士論文的後兩部分，稍作修改)、《關於玻璃的組成》、《關於玻璃與硬玻璃的冷卻》、《玻璃製造中從硫和格勞布鹽獲取石膏》、《玻璃硬化研究》以及《關於無機熔融化合物——一系列化學晶體學研究》。頗有意思的是，上述最後一篇論著由德國布倫瑞克市的費維克出版社出版，該出版社以擅長出版科學著作聞名，歷史上曾出版過不少化學經典專著，而當年強烈批評肖特的柯爾貝曾在那裡擔任科學編輯。

儘管已不在耶拿，但肖特與耶拿似乎緣分未盡。1879 年，他給耶拿大學的物理教授阿貝(E. Abbe)寫信，說他最近製得了一種鋰成分含量較高的輕質玻璃，可能具有優異的光學性能，請阿貝幫助檢測一下該玻璃的物理性能，並隨信寄去了樣品。阿貝這個名字在物理界並不陌生，光學裡著名的阿貝公式就是以他命名的(圖2)。阿貝1840 年1 月23 日出生於愛森納赫，1857~1861 年間在耶拿大學和格廷根大學學習物理和數學，並在格廷根大學取得博士學位，之後前往法蘭克福，在那裡的物理學會工作，1863 年取得耶拿大學數學和物理講師資格，1870年成為耶拿大學教授，之後還擔任過耶拿天文臺臺長。肖特比阿貝小將近八歲，1879年他給阿貝寫信之時，後者已經是享有世界聲譽的物理學家。不過，肖特給阿貝寫信不僅僅是因為他在光學領域的顯赫地位與學術成就，還有一個重要原因在於，阿貝當時與設在耶拿的蔡司工廠關係密切。蔡司公司如今是世界上赫赫有名的光學儀器和精密機械製造商，以其創立者蔡司(C. Zeiss)命名。

圖2 耶拿市路邊豎立的紀念阿貝及其公式的石碑

（球上刻有阿貝公式）（作者攝於耶拿）

蔡司於1816 年9 月11 日出生在離耶拿不遠的魏瑪市，1834~1838 年在耶拿大學機械師科納(F.Körner)門下做學徒，並在此期間聆聽了不少大學數學和自然科學的課程，但蔡司並沒有走學術道路，而是按照既定的人生規劃成為了一名機械師。1838~1845 年間，蔡司遊學並工作於斯圖加特、達姆施塔特、維也納和柏林，擴充了自己在物理、數學和機械方面的知識。1845 年，他回到耶拿，並於次年開辦了一家機械作坊，此即為今天蔡司公司的前身。1847 年，蔡司製造了他的第一架顯微鏡，此後，顯微鏡就一直是蔡司廠的重點產品。1866 年，蔡司開始與比他年輕24 歲的阿貝正式合作，後者憑藉其紮實的光學理論知識幫助蔡司改進和優化顯微鏡的製造。兩人合作非常成功，蔡司工廠在短短几年之內發展成為當時世界上最先進的顯微鏡製造商。1875 年，蔡司慷慨地讓阿貝成為公司的合夥人，阿貝從此進入蔡司公司的管理層。

正是在這樣的背景下，肖特給阿貝寫了上述信件。阿貝對肖特寄來的玻璃樣品做了相應的檢測後，回信說道，該富鋰玻璃在光學性能上並不比其他玻璃優異，不過，卻具有極高的均勻度，此種均勻度甚至連當時最好的玻璃廠也無法做到。肖特的此次主動詢問無論如何引起了阿貝對他的注意，事實上，此時的蔡司公司正遇到了技術瓶頸，他們所生產的光學儀器的性能已無法進一步提升，其原因就在於缺乏可以勝任的玻璃，要知道，玻璃可是光學儀器的核心部件。在玻璃供應方面，蔡司公司沒有自己的生產加工廠，完全依靠從外部買進，而當時世界上沒有一家工廠可以生產出滿足蔡司公司為提升光學儀器性能而需要的特種玻璃。阿貝考慮到，既然肖特精通玻璃化學，可以讓他嘗試先以實驗的方式製備出一些新型玻璃，看看性能如何。1881 年1 月，肖特和阿貝在耶拿碰面，制訂了合作計劃，肖特將通過改變玻璃的化學組成，力圖得到符合蔡司公司要求的光學性能優異的新型玻璃。他分別試驗了磷酸玻璃，硼酸玻璃，硅酸玻璃和硼硅酸玻璃，經歷了多次失敗後，終於在製備第93 號樣品時得到了令人滿意的結果。

雙方的合作取得重大進展後，肖特於1882 年1月移居耶拿，開始了與蔡司公司的深度合作。同年3 月，阿貝和肖特將研究結果遞交給費斯特(W.Foerster)，後者是柏林天文臺臺長和德國皇家標準計量委員會會長。經費斯特的推薦，普魯士文化部決定全力資助肖特的研究，但同時要求肖特解決當時的一個棘手問題——溫度計零點誤差。肖特很快找到問題所在，發現如果玻璃中同時含有鉀和

鈉，就會產生零點誤差。1884 年，肖特通過改變配方，成功製造出所謂溫度計標準玻璃，大大提高了溫度計的精確度。1885 年7 月23 日，肖特、阿貝和蔡司父子在耶拿正式成立肖特及同伴玻璃技術實驗室，後來發展為肖特及同伴玻璃廠以及今天的肖特股份公司。蔡司、阿貝和肖特之間相互合作、相互信任，不畏艱難共同開闢玻璃材料新領域的成功故事，已被作為科學技術史上的經典佳話而廣為傳誦。2016 年9 月11 日，值蔡司200 年誕辰之際，耶拿市舉辦了卡爾·蔡司日的專題活動，活動期間，特意給前來參觀的市民們製作並贈送了蔡司、阿貝和肖特的紀念牌(圖3)。

圖3 耶拿三傑（上為蔡司，左下為阿貝，右下為肖特）（作者攝於耶拿）

從實驗室到股份公司——引領現代玻璃材料

1886 年，肖特的實驗室已能生產四十多種光學玻璃以及上文提到的新型溫度計玻璃，名曰“耶拿標準溫度計玻璃”，這種玻璃含元素鋰，幾乎不受熱膨脹影響，是理想的溫度計材料。肖特和蔡司公司的緊密合作很快使得所生產的特種玻璃種類迅速擴充，包括各種耐熱，耐壓，抗腐蝕玻璃和滿足特殊要求的光學玻璃和醫用玻璃，為肖特贏得了世界聲譽。到1900 年，產品已有一半銷往國外，肖特的玻璃成為許多領域不可或缺的材料。1918 年，推出高級家用耐熱玻璃，後以商品名Jenaer Glas® (耶拿玻璃)在市場上銷售，成為玻璃材料中的經典品牌。1920 年，肖特及同伴玻璃技術實驗室更名為肖特及同伴玻璃廠。肖特自己於1926 年退休，1935 年8 月27日，在耶拿去世。

二戰之後，美國為了防範當時蘇聯獲取技術資料，將肖特廠最重要的高職人員和玻璃專家遷往德國西南部(人稱“41 個玻璃工的遷移”)，他們於1950年開發出著名的實驗室玻璃品牌DURAN®。如今，DURAN®玻璃儀器在德國高校和研究所仍得以普遍使用。1952 年，新肖特廠在西德的美因茨成立，而留在耶拿的老肖特廠在東德依然被保留。東、西德合併前，新老肖特廠同時存在並彼此獨立運營(蔡司廠也經歷同樣的命運)。東、西德合併後，西德肖特接管東德肖特，從此肖特玻璃廠又恢復成一家，總部在美因茨。2004 年，肖特玻璃廠正式更名為肖特股份公司。今天，位於耶拿的廠區依然保留著當年肖特住過的房子，裡面的照片和實物生動展示了肖特的生平和肖特廠的歷史(圖4)。除此之外，廠區內還建有一座現代化的玻璃博物館，參觀者可以學習到不少關於玻璃材料的知識。該博物館設計得頗為精良，裡面不但有大量的文字圖片和實物展示，而且還有不少多媒體演示設備，旁邊的開關被精心地製作成玻璃沙漏，參觀者將沙漏翻轉180度，屏幕上即開始放映相應的節目，同時沙漏裡的沙開始掉落，沙掉落完畢，視頻也正好放完，下一個參觀者只需再次將沙漏翻轉180 度，便又可以觀賞視頻了。而沙漏裡的沙子意指玻璃材料的主要原材料——二氧化硅。十分難能可貴的是，該博物館和肖特故居均向公眾免費開放。

圖4 肖特故居（作者攝於耶拿）

肖特成功之道——執著+創新+主動

回眸肖特的一生，他的成功除了家庭環境的影響以及阿貝和蔡司的幫助和合作等外部因素，筆者認為，更重要的還是在於他自身的因素，總結起來，有如下幾點：

1)對自己從事的研究領域的執著。肖特在萊比錫大學提交博士論文失敗，並飽受著名學者對其能力的多番指責，可他沒有就此失去信心、停止腳步或是轉向其他領域，而是仍堅持走自己的道路，繼續在玻璃製造領域進行著前人未曾做過的科學探索。即使在無正式職位且對於未來沒有任何把握的情況下，依舊能夠堅持在家中進行玻璃研究，足以見得他對自己所從事領域的熱愛與追求。這樣的執著精神可不是所有人都具有的。

2)學科交叉型的創新思維。在肖特之前，玻璃製造是一個純技術領域，其生產工藝大都以傳統經驗為基礎，玻璃工匠和技術工人似乎從未想到過用科學方法來開發新型玻璃或改進玻璃性能。另一方面，19 世紀70 年代歐洲的物理和化學學科發展已經達到了一定的高度，而德國在自然科學的許多領域也已經超越英國和法國，湧現出了一大批世界著名的科學家，但他們當中卻很少有人將所掌握的科學知識運用於玻璃製造。簡言之，當時製造玻璃的人不懂科學，懂科學的人不問津玻璃製造。肖特正是看到了問題之所在，憑藉自己的知識與能力將兩個原先毫不相干的領域搭接起來，從而開創出了一片新的天地。

3)主動尋找機遇。肖特為推廣自己的研究成果，主動將樣品寄給給物理學家阿貝，在此之前，他一定做過一番調查研究，認為按阿貝當時的工作領域和職位身份，尤其是他跟蔡司公司的關係，應該會對新型玻璃產生興趣。後來果然不出其所料，得到阿貝和蔡司的重用，從而造就了科學史和企業史上的一段佳話。如果不是肖特當年的主動出擊，歷史可能就是另一番景象。積極尋找機遇和創造機遇，這點對於那些盼望成功的人而言尤為重要。

如今，德國耶拿市有以肖特命名的街道，耶拿大學也設有以肖特命名的材料研究所(圖5)，當年的老肖特廠依然作為肖特股份公司的一部分矗立在耶拿市內，與蔡司公司相隔不遠(圖6)。肖特作為耶拿科技史上的三傑之一，獲得了這座城市對他的感激與尊敬。但筆者也明顯感覺到，當今的德國民眾對科學史和技術史的興趣並不高，耶拿市中心曾舉辦過有關肖特公司和蔡司公司歷史的展覽，其中有很多製作精細和難得一見的科技和企業方面的史料，但參觀者寥寥無幾，而同樣的地方如果有繪畫展或攝影展，就會有一大堆人圍觀。之前提到的免費開放的肖特故居和玻璃博物館，筆者曾多次拜訪，每次裡面的參觀者都極為稀少，甚至除筆者外別無他人，雖然獨佔館廳的感覺很好，但場面如此冷清不得不令人惋惜。這與當前西方發達國家普遍興盛的反科技(尤其反化學化工)思潮和所謂的環保主義(實為極端環保主義)不無關係。無論將來人類社會向怎樣的方向發展，奧托·肖特對現代玻璃材料所作的貢獻將作為科學技術發展道路上的里程碑而永載史冊。

圖5 耶拿大學奧托·肖特材料研究所（作者攝於耶拿）

圖6 耶拿市的蔡司公司樓（左）和相隔不遠的肖特公司樓（右）（作者攝於耶拿）

來源：《現代物理知識》第30卷 第1期