建设中华文明材料基因库

建设中华文明材料基因库

材料是人类社会赖以生存和发展的基础。人类为了获得和制备食物和工具、准备衣着和居处，学会了利用自然材料，并在此基础上进行加工、改造和改性，又创造了许多新材料。材料是人类文明进步的里程碑，史前时期可按材料分为石器时代、青铜时代和铁器时代。时代的发展需要材料，而材料又推动时代的发展。所以，材料被视为人类文明的支柱之一。

材料推动中华文明发展

中华文明源远流长，是世界上唯一自古延续至今、从未中断的文明，这与中国先民在材料领域的发明创造有着密切联系。

距今两万年前的万年仙人洞陶器残片，是世界上最早利用火制作的人造材料。红山文化、良渚文化的精美玉器，推动了中华文明从原始社会向礼制文明的进步。仰韶文化的彩陶，是中国先民创造的闪烁着人类智慧的重要器物。龙山文化时期，制陶技术已达到较高水平，出现了薄如蛋壳的黑陶，有些地方甚至使用高岭土制陶。随着筑窑技术的不断进步，烧成温度稳步提高，东汉时期出现了以高岭土为原料经高温烧成的瓷器。瓷器的发明极大地改善了饮食卫生条件，延长了人们的寿命。唐宋至明清时期，中国瓷器发展逐渐走向鼎盛，创造出绚烂多彩的瓷器文化，瓷器成为中国与域外交流的重要产品。

至迟在战国时期，中国就已经出现了砖，并发展出了先用氧化气氛烧制然后用还原气氛制成青砖的技术。这一技术提高了砖的耐水度，增加了砖的致密度，改善了砖的传热、耐热和耐磨性，是制砖技术的一大进步。早在5000多年前，中国已出现了采用木构架支撑屋顶的半穴居式建筑，以后逐步形成了具有中国特色的穿斗式和梁架式建筑。木构建筑形式的盛行，既体现了中华文明“道法自然”的传统，又彰显了“天人合一”的思想。

距今5000年前马家窑文化的青铜刀，是中国最早的锡青铜制品。商周时期的青铜范铸技术，与发达的礼制社会有密切关系，铸就了灿烂的青铜文明。至迟在公元前6世纪，中国就已发明了生铁冶炼技术，铸铁农具广泛使用，提高了农耕生产效率与规模，促成了秦汉帝国的建立。随后，炒钢和灌钢技术发明，形成了独特的生铁制钢技术体系，兵器制作水平大大提高，中国终成富国强兵之邦。战国时期开始流通的金属货币，促进了叠铸和砂型铸造工艺的发展，稳定了古代社会经济的运行。中国金属铸造工艺盛行，折射出传统文化中“金生水”的五行观念与“和”的技术思想。

距今5000多年前仰韶文化时期丝织品的发现，证明中国是世界最早发明丝绸织造的国家。商代已出现提花丝织物，战国时期发展出绢、绮、锦等织品，并应用天然染料开发出绚烂多彩的织染技术。中国古代劳动人民发明并大规模生产丝绸制品，开启了丝绸之路这一世界历史上第一次东西方大规模的商贸交流。新石器时代，中国就已经出现漆器，夏代的木胎漆器不仅用于日常生活，也用于祭祀。漆作胶粘剂、丝麻作增强体的复合材料，其设计思想与近代相仿。

“四大发明”不仅对中国影响深远，对世界也贡献巨大。造纸术是人类利用天然改性材料的典范，对人类文化事业的发展起到了重大作用。指南针则是利用天然磁性材料的例子，极大地扩大了人类活动和生存空间。火药这种含能材料的发明，大大影响了世界历史的进程。印刷术经历了木雕版、泥活字、金属活字各种材料使用阶段，提高了文化传播的效率，促进了人类文明发展。

材料考古技术不断提高

材料考古是围绕古代材料及其生产遗存开展考古学调查与发掘，利用自然科学方法与技术手段，研究揭示材料制作的工艺流程、技术水平、产品特征、流通范围等的考古学分支学科，是认知古代社会、探索文明发展规律、理解文明交流互鉴的重要途径，也是开展相关文化遗产保护利用的重要基础。

20世纪以来，随着现代科学方法用于考古材料分析，新的研究成果不断涌现，大大推进了学界对于古代人类利用材料历程的认识。麻省理工学院的材料科学家CyrilStanleySmith提出，以判定古代人类在材料制备、利用与贸易流通过程中的技术选择为核心，考察文化—技术—环境的互动关系，进而研究古代人类社会的发展规律，是材料考古研究的重要范式。目前，国际学术界最为关注的三大研究主题包括：古代材料与生产遗存表征的新技术开发；基于逆向工程原理的古代材料制作工艺反演与历史语境下的阐释；追溯文物制作原料的地质产源，解读古代人类的贸易活动与远距离交流互动。

为完整提取蕴藏在文物中的工艺、产源等多元信息，需要借助多领域的交叉手段，在不同尺度上进行表征与认知。古代材料的表征技术主要有成分分析，如扫描电镜能谱分析法、X射线荧光光谱、电子探针波谱分析、电感耦合等离子体质谱等。此外，还有微观结构分析，如光学金相显微镜、偏光显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱分析等。由于文物的特殊性，其研究样品往往尺寸微小、构成复杂，大量标准化的现代材料表征手段难以直接应用于文物分析。近年来，国内科研机构致力于开发适用于中国古代材料分析需求的新型分析技术。中国丝绸博物馆开发了基于酶联免疫技术的痕量丝绸残留物鉴定技术，在河南仰韶文化遗址中发现了人类迄今为止最早的丝绸纺织品。北京科技大学与美国盖蒂博物馆等机构，合作开发了适用于古代漆器分子特征鉴定的热裂解气相色谱质谱分析方法。

运用科学表征信息逆向重建古代材料制备工艺，并在历史、社会与环境语境下阐释不同文明间技术发展路径差异背后的内在动因，是材料考古研究的核心问题之一。北京科技大学、北京大学等的学者系统开展了多个地区古代金属生产遗存调查，初步建立了基于金属文物成分、微观组织与稳定同位素比值建立古代金属生产工艺的方法路径，探索了金属与人类文明起源与复杂化进程间的关系。中国科学院上海硅酸盐研究所、故宫博物院、北京大学等的学者揭示了我国古人在两万年以前即开始使用陶器，构建了我国古代原始瓷、青瓷、白瓷、青花瓷的技术发展谱系，展现了陶瓷器技术这一古代中国的重要文化名片对于世界文明发展的贡献。中国科学技术大学、中国丝绸博物馆、北京科技大学等的学者针对具有中国特色的古纸、丝绸和漆器文物研究领域，创新性地应用了多项先进表征技术，在古代手工纸制作原料与技术、丝绸的纺织与印染技术、漆器原料配方与髹涂技法等方面取得了诸多重要突破。

通过材料的地球化学特征研究其流通历程，对于研究文明起源与发展过程中的资源管控与分配、文明间的互鉴与融合等问题具有重要意义。中国科学技术大学、北京大学和北京科技大学的学者通过研究商周时期铜、锡、铅的流通情况，建立了中央管控、多地区参与的复杂金属流通与分配网络，揭示了早期国家通过掌握金属资源的贸易与分配而构建的权力结构。

通过材料基因展示中华文化

材料基因的概念脱胎于人类基因。材料科学发展到一定程度，材料工程实现了高度组织化，材料本身包含着一些“遗传基因”，能够让人们在需要制造时迅速了解其包含的元素成分及其加工工艺。2022年，美国开始实施材料基因组计划，随后中国也启动了多项材料基因工程计划。材料基因工程改变了以往新材料研制所依靠的直觉和试错研发模式，通过高通量实验技术以及理论计算的手段获取大量材料结构及性能的参数，并将所获得的材料性能数据储存在数据库中，通过数据挖掘等技术得到材料“成分—结构—性能—制备”的构效映射关系，加速材料研发进程。

古代材料基因研究即是基于大数据技术挖掘古代材料“成分—结构—性能—制备”关系，既是现代材料基因工程的重要补充，又可揭示古代人们在材料制作过程中的技术基因和文化基因。记录先秦时期手工业的《考工记》有“六齐”之说，说明古人已懂得金属材料的成分与功能关系，并进行初步的材料设计。以青铜器制作为例，其材料基因包括技术基因和文化基因两部分，技术基因又可细分为成分方面（铜锡比、含铅量、铅同位素比值等）、结构方面（夹杂物、滑移线、铅颗粒等）、工艺方面（铜硫比、硫氧比、垫片、芯撑等），文化基因可从造型艺术（陶范、石范、失蜡法等）、纹饰艺术（饕餮纹、蟠螭纹、云雷纹等）等方面讨论。商周青铜器区别于其他青铜器的材料基因是陶范铸造、铅含量、纹饰技术等。如果按制作工艺排列，青铜器的技术基因图谱呈类似DNA双螺旋结构，其上分布有采选、冶炼、成形、连接和表面技术等区域，每个区域内含若干基因片段。每件青铜器都有其独特的材料基因，众多基因组合形成了中华文明灿烂多彩的青铜文化。

建立古代材料标本库和数据库，是实现古代材料基因研究的重要途径。一方面，选择考古背景清晰、具有技术代表性的文物标本建立古代材料标本库，并通过信息管理系统实现异地存储、统一管理。另一方面，进行数据库结构设计和应用系统开发，将材料考古的多元信息输入，通过云存储、备份，建立多元信息数据库，形成文物多元信息存储共享服务平台，成为国家文物科技资源平台的一部分。在中国古代材料考古研究的基础上，建立古代材料多元信息提取方法体系，已初步梳理出中国古代材料的成分、结构、性能与制备工艺的关系数据库，再通过数据挖掘可建立古代材料“成分—结构—性能—制备”关系模型。

阐释中华文明的文化基因

习近平总书记指出：我们一定要重视历史文化保护传承，保护好中华民族精神生生不息的根脉。2022年11月26日，北京大学与国家文物局签署战略合作协议，双方携手建设中华文明国家文物基因库，将通过真实文物展现中华文明历史进程。基因库整体布局为“两库四中心”。“两库”即文物资料库和文物数据库，“四中心”即考古大数据中心、文物保护中心、科技分析中心和古文字研究中心。2022年6月11日，全球首个古陶瓷基因库在江西景德镇揭牌，在标本的数据采集和使用上将实现开放共享。7月23日，定位为国家版本资源总库和中华文化种子基因库的国家版本馆竣工落成。国家版本馆按照“赓续中华文脉、坚定文化自信、展示大国形象、推动文明对话”的定位，收藏包括古今中外载有中华文明印记的各类资源。

“十三五”期间，北京科技大学牵头的国家重点研发计划项目“可移动文物价值挖掘及其关键技术研究（无机质类）”以建设科技标本库和数据库为重要目标，已初步完成金属、陶瓷、玻璃等材质的文物科技标本库和数据库的建设，编制了古代青铜技术谱系和瓷器技术谱系，向实现数据驱动的科学研究迈出了可喜的一步。“十四五”期间，北京科技大学牵头的国家科技基础资源调查项目“中国先秦两汉时期矿冶遗址综合调查”已立项，将建立矿冶遗存标本库和数据库，并实现共享。这些