原作始发于 广东科学中心 官方微信公众号
陶瓷是我们熟知的东西。严格的说，陶与瓷有所不同。“陶”泛指用粘土烧制的器物。“瓷”是陶器中的精品，是表面有釉彩（玻璃）的陶器。
古人类在用火烧煮食物的时候发现烧过的泥土会硬化成为固定的形状。于是就开始把泥巴捏成人形或动物形放在火中烧烤，制成陶俑。目前发现最古老的陶俑距今已经有2万8年了（图1）。这个陶俑是在捷克发现的。它是一个女性，约111毫米高，分成上下两个部分，后面还有一个少年的指印。考古学家们把它叫做“捷克的维纳斯”（Venus of Dolní Věstonice）。
图1，捷克的陶俑“维纳斯”，距今约2万7年
我们的祖先古代中国人很早就开始制作陶制器皿。考古学家们在江西上饶的一个遗址中发现了世界上最古老的陶罐片（图2）。这些陶片是用当地的粘土制成，距今已经有2万年了。
图2，江西仙人洞的陶片，距今约2万年
在接下来的1万多年间，世界许多地方都相继烧制出了陶器。下面是几个例子：
01 两河流域的陶罐
两河是指底格里斯河（Tigris）及幼发拉底河（Euphrates）。两河流域位于今天的伊拉克，它号称文明的摇篮，距今1万多年前就开始了农耕。图3是当地出土的一个陶罐，距今约6千年。
图3，两河流域的陶罐，距今约6千年
02 古埃及的陶器
古埃及人得到尼罗河的恩赐，一年一度的洪水从非洲腹地带来大量的水和沃土，农耕便利。籍此古埃及人创造了灿烂的文明。图4是一个墓葬中的陶罐，距今约3千5百年。当时的古埃及人相信来世可以永生，因此在墓葬中准备了大量的生活用品。
图4，古埃及的陶罐，距今约3千5百年
03 古希腊的陶罐
古希腊文明开始于公元前1600年左右，先是在克里特岛上的米诺斯人（Minoan），接着是希腊大陆的迈锡尼人（Mycenaeans），然后逐渐推进到各个城邦：雅典、奥林匹亚、斯巴达、科林斯(Corinth)、第比斯(Thebes)…...
到了公元前600年左右，古希腊文明达到了一个高峰，其科学技术世界领先。同时还诞生了一批伟大的学者，他们的思想直到今天还影响着世界。古希腊人喜欢英雄和神话故事。图5是一个古希腊陶罐，制作于公元前500年左右。陶罐上面描绘着战争中的英雄事迹，黑黄色的图画是典型的希腊风格，人物体格健美，神情逼真。
图5，古希腊的陶罐，制作于公元前500年
04 伊朗的陶器
古伊朗的历史像古希腊一样悠久。伊朗高原上生活着多个民族。那里连接着东方（中国、印度）、中亚（两河流域、阿拉伯半岛）和西方（希腊）。因此受到多种文化的影响。公元前550年左右，波斯人在那里建立了一个强大的帝国。图6是一个波斯的陶制头像，制作于公元前400年左右。
图6，古伊朗的陶制头像，制作于公元前400年左右
05 美洲的陶器
大约在1万5千年前，人类跨越了白令海峡到达美洲。后来由于气候的变化，白令海峡不再通行。因此美洲人建立了自己独特的文明。图7是中美洲纳斯卡（Nazca）地区的陶罐，制作于200年左右。当时的纳斯卡人还留下巨型的图画。这些刻画在荒野中的图画有数千米大，只有在空中才能得清楚。纳斯卡地区现属秘鲁。
图7，古代纳斯卡的陶罐与荒原巨画，制作于200年左右
不过，古代最好的陶瓷
还是我们中国的陶瓷
古代中国人是怎样烧制陶瓷的呢？
首先，要烧制好的陶器需要1000℃—1200℃的温度。草木自然燃烧的温度约为800℃。在开放的平地燃烧，热量会很快散去，温度只能达到800℃左右[图8（a）]。挖个坑来烧也好不了多少[图8（b）]。因此古人们发明了窑炉。最初的窑炉只是用砖石盖成一个薄壳，烧完后砸开[图8（c）]。
- 到了距今5000年前的新石器时代，古人们开始建造具有通风火道的窑炉。早期的窑炉是将柴火与陶器放在一起烧，称为同穴窑[图8（d）]。很快就改成了将陶器堆放在柴火上面。这种窑叫做竖穴窑[图8（e）]，燃烧的温度可以达到近1000℃。接着又出现了横穴窑[图8（f）]，其特点是把柴火与陶器分开堆放，让更多的空气进入窑内帮助燃烧。横穴窑的温度可达1100℃以上。因此可以烧制出较好的陶器。
- 到了战国时代（公元前770年—公元前221年）我们的祖先发明了半倒焰窑[图8（g）]。它的特点是加了一个烟道，利用燃烧后的空气较轻的特点，把进入窑内的空气倒抽出窑炉，这相当于鼓风，其温度可达1250℃。
- 到了汉代（公元前202年—220年）又出现了全倒焰窑[图8（h）]。这种窑炉的烟道会迫使气流在窑炉中上下翻滚，温度可达1400℃。从而烧出精美的瓷器。
- 到了唐代（618年—907年），窑炉的设计进一步完善[图8（i）]。这种窑在各地有不同的名称：蛋形窑、馒头窑、马蹄窑、葫芦窑…它不仅能够烧出1400℃的高温，而且使用方便。
图8，窑炉的进化
为了提高效率，便于大规模生产，古人们还建造了龙窑。最早的龙窑是在战国时代出现的。因其依山而建，势如卧龙，所以称之为龙窑。到了宋代（960年—1279年），龙窑的内部采用蛋形窑的结构，外部长达一百多米（图9）。
图9，龙窑
中国的陶瓷艺术冠绝全球，在汉代有了白瓷，到了唐代有唐三彩。宋代达到了一个高峰，著名八个陶瓷生产基地包括：
- 汝窑，位于汝州，现属河南平顶山市；
- 官窑，位于江苏扬州；
- 钧窑，位于鈞州，现属河南禹州市；
- 定窑，位于定州，现属河北保定市；
- 哥窑，位于浙江龙泉；
- 磁州窑，位于磁州，现属河北邯郸市；
- 耀州窑，位于耀州，现属陕西铜川市；
- 景德镇窑，位于江西景德镇。
其中最有名的是景德镇，在后来的明清两代（1368年—1644年，1616年—1912年），都有专门为皇室服务的窑炉。中国陶瓷曾经领先世界长达1千年。
古代西方对中国的瓷器一直十分向往。在古拉丁语及今天的英语中，中国“China”一词都有着“瓷”的意思。
在1200年左右，沿着丝路的伊斯兰国家开始学习中国的瓷器制作技术，接着一些欧洲国家也开始跟随，但质量都明显不如中国瓷器。因此中国瓷器的价格一直高居不下。
到了18世纪初，欧洲的制陶技术有了很大的进步，但仍未能烧制出高质量的瓷器。一些人声称掌握了烧制瓷器的秘诀，招摇撞骗。另一些人则通过实验取得若干进展，但对技术秘而不宣。波兰国王奥古斯都二世（Augustus II，1670年—1733年）找到化学家冯·齐恩豪泽（Von Tschirnhauser）和声称能烧制出瓷器的炼金术士约翰·波特格（Johann Bottger），命令两人必须烧制出高水平瓷器，并以死相逼。两人日以继夜地干了几年，终于发现了高温窑炉的秘密，在1708年成功地制造出了优质瓷。1710年奥古斯都二世建立了迈森瓷厂（Meissen porcelain manufactory）。从此，欧洲有了“真正的”瓷器生产。在随后的数十年间，波兰人力图*锁封**技术，但欧洲许多国家都学会了烧制优质陶瓷。至今迈森的陶瓷小雕像还倍受赞誉（图10）。
图10，迈森陶瓷塑像，欧罗巴骑着宙斯变成的公牛渡海来到欧洲，因此欧洲叫做欧罗巴
1748年爱尔兰艺术家托马斯·弗莱（Thomas Frye，1710年——1762年）发明了骨瓷。他用30%的动物骨灰与70%的瓷泥混合，烧制出了乳白色半透明的骨瓷。骨瓷清亮、轻巧而且坚固，轻敲有金石之声，至今还在大量生产（但用其他材料代替动物骨灰）。
至此，中国的陶瓷技术不再一枝独秀。
近百年来科学技术突飞猛进，陶瓷技术也随之进步。陶瓷可以分四种：白色陶瓷、结构陶瓷、技术陶瓷和耐火材料。白色陶瓷包括瓷器（炊具）、陶器及各种陶瓷日用品和工艺品。结构陶瓷包括瓷砖、管道、屋瓦等。技术陶瓷也称为特种陶瓷、精细陶瓷或工程陶瓷。这类陶瓷的产品包括刀具、轴承、特殊瓷片(如航天器热屏蔽片)、生物医学植入物、以及核反应釜、制动器、发动机的陶瓷涂层等等。耐火陶瓷材料用于制作坩埚、窑炉和壁炉等。
从化学的角度来看，陶瓷是无机的非金属固体。现代陶瓷原料主要是粘土、高岭土以及林林总总的添加材料。其主要成分包括氧化铝、氧化硅、碳化硅、碳化钨等。在高温烧制时，原料的化学结构重组，成为氧化物、氮化物、硼化物或碳化物。陶瓷材料的特点是坚硬、耐高温、耐磨、耐腐蚀、不老化、不导电，但通常塑性不好，容易破裂。不过，随着科技的进步，人们已开发出坚韧的陶瓷，因此*瓷刀陶具**比比皆是（图11）。
图11， CBN（Cubic Boron Nitride）*瓷刀陶具**十分坚韧，削铁如泥
从化学成分来看玻璃也是陶瓷，但由于其分子结构不同（参见如虚如实说 | 显微镜发展史），通常另成一类。
玻璃可用作釉。以常用的钠钙玻璃（soda-lime glass，成分为二氧化硅、氧化钙及氧化纳）为基材，加入少量不同的元素可得到不同颜色的玻璃（图12），进而制成不同颜色的釉彩。
图12，以钠钙玻璃为基材加入少量其他元素可做出不同颜色的玻璃
最近我访问了佛山一个瓷砖公司。这个公司在全球同行中排名第六。新建成的生产线长达3千米（图13），下料、混合、成形、上釉、烧制、定型、切割、包装全部用计算机控制（图14）。整个工厂只有20个操作人员，堪称“灯塔工厂”。此外，公司致力于节能环保的技术革新，能源指标及环境指标都居世界前列。
图13，现代化瓷砖生产线
图14，现代化瓷砖生产的计算机控制系统
还要一提的是中国的陶瓷技术研发已经重归全球先进行列。例如中国科学院上海硅酸盐研究所 (cas.cn)在陶瓷技术的理论与应用两方面都很有建树。