作为日本金泽・加贺地区的工艺品而闻名遐迩的金箔，被用于美术品以及天守阁等历史建筑；轻量质感的芭蕉布，从冲绳琉球王朝时代开始历经战火流传至今。围绕这些传统工艺，一项运用最前沿科学解析卓越匠人手工制作工序的研究不久前公开了其研究成果。在匠人高龄化不断加剧的背景下，这项研究表明，科学或可能为珍贵传统工艺向下一代传承提供助力。
金箔的厚度仅为铝箔的百分之一
金箔是金泽引以为傲的传统工艺，据称自16世纪后半的丰臣秀吉时代起便开始制作。将金置于多种液体浸泡过的纸上反复捶打延展，加工至仅为铝箔百分之一的厚度。它既可用于美术品的屏风，也可用于建筑的内装，是代表豪华奢侈的名品。
关于金箔之薄，金泽大学的北川和夫名誉教授曾发表文章说：“用电子显微镜观察金箔，可以看到金的晶体朝同一方向排列。正是这种特殊结构使金能够变为箔。”然而，究竟为何能加工得如此之薄，且在不失去光泽的情况下保持闪耀，其详细机制一直未能明确。
金箔需经过在纸张上反复捶打，使表面变得平直等多个工序才能制成。
日本北陆先端科学技术大学院大学纳米材料与器件研究领域的大岛义文教授（纳米结构物性学），他指导的一名中国留学生研究生提出“想解开这个谜团”，以此为契机，大岛教授开始探究为何立方体的晶体会朝同一方向“整齐排列”。
大岛教授的专业是操作能够观察电子排列的透射电子显微镜。正如北川教授所言，金箔成品（厚100纳米，1纳米为十亿分之一米）呈现出方糖形状的晶体以晶面朝上的姿态整齐排列。然而，在逐一确认金箔制作各阶段时发现，在被称为“金澄”（厚1微米，1微米为百万分之一米）的阶段，晶体的取向还是杂乱无章的。
金箔晶体的示意图。其形状如方糖，改变观察方向，可见又呈现星形（供图：大岛义文教授）
质疑金属加工的“常识”，发现90度的“滑移”
金属经敲打会变薄，同时横向延展。这种变形可用晶体内部产生的大量“滑移”来解释。地层中可见的断层也是滑移的结果，金属中同样可发生类似现象。
然而，按照常识，这种滑移只能在由晶体结构决定的特定截面上发生，并由此决定晶体取向的倾斜角度。对于金而言，理论上晶体会以45度倾斜排列，从而在金表面形成凹凸。在打箔过程中，这些较薄的凹凸区域会破裂成粉末，因此理论上无法获得厚度达100纳米的超薄膜。
要制作金箔，必须像直接排列方糖那样使表面平坦。为此，“方糖以45度倾斜排列的结构”必须“倾转”为“方糖无倾斜排列的结构”。然而，这一倾转无法用“常识”来解释。
大岛教授推测，要使方糖以45度倾斜排列的结构转变为不倾斜排列的结构，必然存在一种诱发这种取向变化的“新型滑移”。他使用超高电压透射电子显微镜，尝试寻找痕迹。若确有滑移发生，必然会留下滑移痕迹。
结果发现，多个滑移痕迹以彼此成90度角的方式存在。从角度关系来看，这些痕迹无法用常规滑移来解释，而是发生了一种名为“非八面体滑移”的新型滑移。
红色部分表示为方糖整齐排列的示意图。绿色、黑色为其他滑移方式（左）。经单色解析后，可见沿90度方向滑移的现象（供图：北陆先端科学技术大学院大学）
低温加工防止再结晶，使表面平坦
不过，要得到这个结论还面临一个问题。依照传统金属加工理论，当金属晶体发生大量滑移时，整个金箔会变得不稳定。为消除这种不稳定，金箔各处会偶发性地出现结晶重构，这一现象被称为“再结晶”。
这种再结晶会使各处晶体取向变得随机，反而难以实现表面平坦化。大岛教授对此也进行了验证，结果发现，在100摄氏度以下的低温进行打箔，可防止金箔内部发生再结晶，从而能够维持方糖45度倾斜排列的结构。
综合大岛教授的实验结果可知：金箔打箔过程中，大量产生通常所说的滑移，使金箔整体形成方糖45度倾斜排列的结构。随后，伴随着捶打过程，这些滑移相互缠结而无法移动，但因低温避免了再结晶。结果，意料之外的非八面体滑移发生，使金箔整体晶体取向成功转变为方糖不倾斜排列的结构。由此，表面变得平坦，金箔整体均匀变薄。
金箔相较其他金属，其加工温度更低，从而产生独特的滑移方式
驳倒质疑，黄金研究专家不再争论
当将这种说法，向金属领域的专家解释时对方断言：“金属不会沿直角滑移，非八面体滑移系在理论上不可能存在。”但当大岛教授展示显微镜图像时，对方惊讶道：“啊……确实发生了。”他笑言，“对方当场心服口服”。之所以能够彻底驳倒质疑，也许正是因为日本那句“有钱人不与人争”的俗语吧，这回成了“黄金研究专家不与人争论”。
基于此次研究成果，大岛教授希望不仅研究金，还将探究加工温度不同的铂、银、铜的薄膜中会发生怎样的滑移。他表示：“此次发现说明，只要能抑制加工热，金就会形成独特的滑移。既然机制已阐明，若加以应用，或许可以实现金箔的机械化生产。我想探索一下，机械能否解决匠人不足的问题。”金箔光辉的未来已初现端倪。
金箔不仅是文化遗产，也广泛用于日用品。石川县作为日本金箔产地而闻名。
芭蕉布是亚热带的和服，琉球王族与庶民皆爱用
芭蕉布制成的和服，薄至可透视后方景物，适合冲绳气候
芭蕉布早在琉球王朝的12至13世纪便已经出现的冲绳代表性手工艺品之一。虽在冲绳战役中几近断绝，但已故人间国宝平良敏子女士在冈山仓敷纺织厂工作期间获得此物为契机，在她的努力下使得这项工艺得以复兴。这种编织物深受王室贵族与平民百姓喜爱，至今还在平良女士的故乡——冲绳县北部大宜味村喜如嘉地区制作。
冲绳科学技术大学院大学（OIST）科学与技术组的野村阳子研究员（生活科学与生物技术）原本是研究服装学的，十年前赴任OIST时她想到，“这么炎热的气候，人们以前穿什么”？由此对传统的芭蕉布产生了兴趣。
芭蕉布分为三类：分别为被称作“着尺”的用于和服的柔软织物、用于腰带等的较硬布料，以及用于室内装饰的硬布。芭蕉布的原料是芭蕉属植物“琉球芭蕉”，经碱液软化、去除杂质、提取纤维等23道工序制成。
野村研究员调查发现，三类芭蕉布的制作流程基本相同，皆为经纬线简单组合的平织，每厘米捻线次数仅2至3次，差异不大。她由此推测，决定芭蕉布柔软度的或许是纤维本身的差异，于是着手研究。除了担忧“七十多岁仍被称为年轻匠人”的芭蕉布文化衰退外，她认为，“不单纯依赖匠人经验，而要有科学依据，才能维系独一无二的琉球文化。”
琉球芭蕉的横截面及其不同部位的丝线差异。最细的纤维分别用作纬线和经线（供图：冲绳科学技术大学院大学）
从植物学角度分析，纤维蜂窝结构可扩散汗液
参与这项研究的还有 OIST 成像部门的小泉好司研究员（植物学）。他注意到，当地工匠会把琉球芭蕉的叶鞘部分按由外到内分为四个级别：最外层称为“Waha”（冲绳方言发音，下同），多用于制作桌布等织物；其次是“Nahau”，常用来织腰带；再往里是“Nahagu”，质地最适合制作和服；最内层为“Kiyagi”，因过于柔软，不适合纺线。此外，工匠还会将“Nahagu”进一步细分为两类：作为纬线使用的“Nuki”，以及作为经线使用的“Hashi”。
从植物学的角度来看，无论哪种叶鞘，作为纤维使用的部分有九成来自叶肉组织中的纤维束，其余一成则来自维管束内的纤维组织部分。研究人员决定对这四种纤维的结构上的差异进行调查。这是因为如果能解析结构，便能摆脱仅依赖工匠经验的局限，还可以尝试改进栽培方法或进行品种改良。
首先，研究人员将喜如嘉工匠提供的纱线嵌入树脂、制成切片观察。与Waha相比，Nahagu的纤维组织面积更小。Waha表面残留有叶肉细胞等杂质，而Nahagu的Nuki与Hashi均无杂质，呈现皱褶状结构形态。这些皱褶被认为是细胞表面微纤化的纤维素显现所致。
纤维截面呈蜂窝结构，能包含空气、扩散汗液。芭蕉布之所以适应冲绳湿热气候，不仅是因为穿着时触感佳，还在于它能释放体表汗液。
通过显微镜观察芭蕉纤维不同部位的差异。可以看出不同用途的纤维，其形状也各不相同（供图：冲绳科学技术大学院大学）
工匠凭“手感”选择细胞壁薄的叶片
接下来是详细分析成分。细胞壁主要由纤维素、半纤维素与木质素构成。其中木质素是与硬度相关的，因此原本以为木质素含量因部位不同而异，但分析发现各部位单位面积的木质素含量“几乎相同”。也就是说，柔软度是由其他因素决定的，于是研究人员又重新考虑了研究方向。
最后研究人员测试的是细胞壁厚度与“壁腔比”（细胞壁与空隙的面积比）。对比了喜如嘉工匠在不同田块采收的纤维样本。结果显示：Waha细胞壁厚2.37微米，Nahagu・Nuki为0.97微米，Nahagu・Hashi为1.42微米。Nahagu类的细胞壁更薄。
壁腔比方面，Waha较高，Nahagu显著较低。也就是说，纤维硬度由细胞结构微差决定，而非成分差异。小泉研究员由此推断：“琉球芭蕉的纤维能成功地成为和服材料，是因为工匠们凭借肉眼观察叶鞘，运用手指的直觉选出细胞壁较薄的纤维进行加工使用。”
芭蕉布歌词，熟了就织不成布？
作为芭蕉布原料的琉球芭蕉通常生长2至3年后采收
据小泉研究员介绍，琉球芭蕉结果后，纤维就会变硬，因此需要先摘除叶片、修剪枝条，让芭蕉树充分变粗，再在结果前采收其柔软的茎干纤维。如此一来，名樱大学的吉川安一名誉教授作词的琉球民谣《芭蕉布》中“结果的芭蕉，已然成熟”这句便存在科学上的“错误”。
或许成熟的芭蕉并非为织布，而是为了观赏？下一句歌词是“绿叶之下我的冲绳岛”，若是赞美绿叶之美，也能说得过去。小泉研究员补充说，在东南亚部分地区也有用结果后的芭蕉纤维织布的例子。然而，由于吉川教授已于2025年7月去世，这句歌词的真意已无从得知。
此次研究明确了细胞壁的厚度是能否成为柔韧好穿的芭蕉布纤维的关键。小泉研究员表示：“若寻找纤维组织细胞壁同样薄的其他植物，或许能找到替代琉球芭蕉的材料。此外，研究成果有助于确立土壤与肥料等栽培条件。在不偏离传统工艺基本方法的前提下改良栽培与育种，或可解决芭蕉布材料不足的问题，将芭蕉布传承至下一代。”
原文：泷山展代 ／JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Scientific Reports
论文：Morphological Analysis of Musa balbisiana var. liukiuensis Fibers for Kimono-Grade Bashofu in Japan
DOI：10.1038/s41598-025-22757-x
