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編輯推薦
※獲第11屆“文津圖書奬”科普類推薦圖書。
★金融博物館書院推薦!
★世界級材料學大師的新力作。“未讀·探索傢”暢銷科普係列圖書。
★2014年英國皇傢學會科學圖書奬。網站2014年度科學類選書。《物理世界》2014年推薦科普書。《紐約時報》2014年值得閱讀的一百本書之一。
★一部材料科學的頌歌,以高超的故事寫作手法,引導你步入材料學的神奇世界,探究身邊10種尋常之物背後激動人心的故事。
★將材料的科學知識和它們給人的感官感受組閤在一起,勾起人無限的好奇心,並從中發現詩意和美。
注:封底凡無企鵝防僞標識者均屬未經授權之非法版本。
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內容簡介
從茶杯、噴氣發動機到傢用電器、內褲,我們的生活充滿瞭材料。但你想過沒有,為什麼玻璃是透明的?是什麼讓橡皮筋有彈性?為什麼麯彆針會彎麯?為什麼不銹鋼不生銹?水泥也能做成衣服?世界上薄卻堅硬的東西是什麼?為什麼某一種材料做成的東西會長那樣?材料如何塑造瞭我們的世界又對我們的生活産生瞭怎樣的影響?
世界材料學大師帶你用材料科學傢的眼睛,以全新的方式看待你身邊的每一樣東西:鋼、紙、混凝土、巧剋力、塑料、玻璃、瓷器……
《迷人的材料:10種改變世界的神奇物質和它們背後的科學故事》以淵博的知識和極富感染力的文字寫就。它不僅揭露瞭各種物質背後的神奇結構,還告訴我們隱藏在其背後的精采故事。每一章介紹一種材料,輔以照片和手繪圖,極富可讀性和趣味性。
作者簡介
馬剋·米奧多尼剋,倫敦大學學院材料科學教授,英國皇傢工程學會會士,入選《泰晤士報》「英國百大影響力科學傢」。 他樂於為大眾講解材料科學,且廣受歡迎,曾擔任多部紀錄片的主持人,包括英國國傢廣播公司第二颱(BBC2)製作的《發明的天纔》。 2010年,他獲邀在科普界負盛名的英國皇傢科學院聖誕講座進行演講。
他也是倫敦大學學院製成研究中心主任,這個中心有一座材料館,收藏瞭地球上神奇的一些物質,並和多所博物館共同推齣互動節目,閤作夥伴包括泰特現代美術館(Tate Modern),黑沃德畫廊(Hayward Gallery)和威康收藏館(Wellcome Collection)等。
精彩書評
★這本書實在太迷人瞭。一旦沉浸其中,你就會開始用米奧多尼剋的眼睛看這個世界。我們平日裏習以為常的每一樣“物質”都隱藏著豐富的故事。這本書讀起來真是愉快。
——吉姆·艾爾—哈利利,《悖論》(Paradox)作者
★材料學大師的又一力作。米奧多尼剋教授有種天賦——他能將構成我們周遭世界的材料的科學知識和它們給人的感官感受,用獨特的方式組閤在一起,讓我們讀得興緻勃勃。
——托馬斯·赫斯維剋,英國當下很火的設計師/2012倫敦奧運會主火炬設計者
★一部材料科學的頌歌。米奧多尼剋深入探究瞭金屬、紙張、混凝土和巧剋力等物質的分子結構和曆史,並從細微中發現詩意和美。這同時也是對人類智慧的贊頌——唯有人類擁有獨特的能力理解我們周圍的物質,並使它們為我所用。
——愛麗絲·羅伯茨,BBC科學節目主持人
★《迷人的材料》提醒我,曆史學傢可能花瞭太多時間在人說過瞭什麼和寫下瞭什麼,卻沒花足夠的時間關注建構瞭我們現代社會的這些材料上。
——丹·斯諾,曆史學傢/BBC主持人
★我們覺得無聊、平凡,根本不值一顧的東西,竟然有這麼多隱藏不現的奇跡……也許早有人說過這些神奇的故事,以及其中相關的科學,但就像好吃的巧剋力一樣,唯有米奧多尼剋知道,要怎麼調齣很好的味道。
——《紐約時報》書評
★我要很難為情的承認,我本來以為材料科學無趣又單調,但《迷人的材料》完全改變瞭我的想法。現在我發現我會用手指滑過物體錶麵,然後發齣贊嘆。米奧多尼剋這本生動有趣的書完全改變瞭我看待世界的方法。
——《華爾街日報》
★這本書對構建現代世界的物質做瞭美好的描述。米奧多尼剋寫得真好,即使是水泥,在他筆下都顯得閃閃發光。
——《金融時報》
目錄
序章 走進神奇的材料世界
一刀引發的機緣
材料構築瞭我們的世界
文明時代就是材料時代
看不見的微觀世界影響大
1 不屈不撓的鋼 STEEL
晚熟的科技
沒有金屬銅,就沒有金字塔
鋼是謎樣物質
鋼鐵是珍貴的軍事力量
武士刀完成不可能的任務
貝塞麥法掀起工業革命
不再夜夜磨刀
誤打誤撞不銹鋼
2 值得信賴的紙PAPER
化身為筆記紙
保存記錄
印成相紙
印製成書
變身為包裝紙
以收據或發票呈現
靈感來源的信封
不可或缺的衛生紙
充滿高貴氣質的紙袋
光鮮亮麗的封麵紙
化身帶我去遠方的車票
鈔票是另類的紙
是紙又不是紙的電子紙
實實在在的報紙
傳達蜜意的情書
3 作為基礎的混凝土 CONCRETE
混凝土要多久纔會乾
加水多少是關鍵
園藝傢發明鋼筋混凝土
施工迅速且便宜的建材
必得隱形,不能示人
4 美味的巧剋力 CHOCOLATE
隻熔你口的技巧
嗅覺與味覺的絕佳享受
可可豆不可生吃
繁復的化學過程
分離後再加起來
最美好的滋味
絕妙的感官刺激
有潛力的健康食品
5 不可思議的發泡材料FOAM
難忘的驚鴻一瞥
跟果凍一樣的東西
握在手中的藍天
飛嚮太空的材質
捕捉太空物質
隨星塵號遠航
6 充滿創造力的塑料 PLASTIC
塑料沒有罪
用塑料取代象牙
化學的車庫革命
塑料有助於人體防腐
塑料專利之爭
珠寶的替代品
假牙也有塑料革命
視覺文化史的轉摺點
電影推手
7 透明的玻璃 GLASS
高溫閃電造玻璃
羅馬人的科學智慧
中國人獨缺的發明
玻璃透光的奧秘
玻璃推動科學進步
玻璃揭開啤酒的麵紗
粉身碎骨保安全
透過玻璃看見世界
8 堅不可摧的碳材料 GRAPHITE
鑽石是最昂貴的碳結構
瀟灑的鑽石大盜
鑽石變石墨
煤炭化為黑玉
閤成多種碳結構
更輕更強的碳縴維
神奇材料石墨烯
9 精緻的瓷器 PORCELAIN
真正的永續環保材料
中國人發明精緻瓷器
中國引領風騷五百年
繁復的製造過程
與文化相結閤
10 長生不死的植入物 IMPLANT
變得更強的方法
解決牙疼煩惱
用鈦固定韌帶
關節置換不麻煩
人體組織可再造
無法剋服老化
後記 材料科學之美
萬物都由原子構成
結構尺度影響大
肉眼可見的尺度
生命與無生命的分野
材料擁有意義
緻謝
圖片來源
延伸閱讀
精彩書摘
序章 走進神奇的材料世界
一刀引發的機緣
我站在地鐵車廂裏,身上有一道13 厘米、後來被醫生診斷為穿刺傷的傷口在汩汩滲血,我心想:接下來該怎麼辦?
那是1985 年5 月的一天,我在車門關上前跳進車廂,把攻擊者擋在門外, 卻沒閃過他的一刀,背上被劃瞭一下。傷口像遭利紙割傷一樣劇痛,而我看不到傷勢有多重。但身為英國人,又是中學生,我心中的難堪壓過瞭應有的常識。因此我非但沒有呼救,反而決定最好悶不吭聲坐車迴傢。這麼做很怪, 但我就是那樣做瞭。
為瞭讓自己分心,彆去注意疼痛和鮮血流過背部的不適,我試著迴想剛纔究竟發生瞭什麼。那傢夥在月颱上朝我走來,嚮我要錢。我搖頭拒絕。他突然湊得很近,讓人很不自在。他盯著我說他有刀,他說這話時噴瞭幾滴口水,灑在我的眼鏡上。我順著那傢夥的目光望嚮他藍色連帽夾剋的口袋,發現他一手插在口袋裏,裏麵凸起瞭一塊。我直覺認為他隻是虛張聲勢,凸起來的是他的食指。接著我心裏閃過另一個念頭:就算他有刀,也一定是很小一把,纔塞得進口袋裏,因此絕不可能傷人太重。我自己也有小刀,知道那種刀很難刺穿我身上那麼多件衣服,包括我引以為傲的皮夾剋、灰色羊毛西裝製服、尼龍V領毛衣、白色棉襯衫,外加打瞭一半的條紋製服領帶和棉背心內衣。我腦中迅速浮現一計:繼續跟他說話,然後趁車門關上之前把他推開,趕緊上車。我看見車就快來瞭,確信他一定來不及反應。
有趣的是我猜對瞭一件事:他真的沒有刀。他手上的武器隻是一把用膠帶纏住的剃刀刀片。那一塊小鐵片不比郵票大,卻一口氣割穿瞭五件衣服,刺破我的錶皮和真皮,一點阻礙也沒有。我後來在警局看到瞭那玩意兒, 整個人愣傻瞭,如同遭催眠一樣。我以前當然見過剃刀,但那一刻卻發現自己根本不瞭解它。我那時剛開始颳鬍子,隻看過嵌在比剋牌橘色塑料颳鬍刀裏的刀片,那玩意感覺友善得很。警察問我凶器的事,我們之間的桌子微微晃動,剃刀也跟著搖晃,映著日光燈熠熠生輝。我清楚地看見它的鋼刃依然完美無缺,下午那一番摺騰沒有在上麵留下任何颳痕。
我記得後來要填筆錄,爸媽焦急地坐在我身旁,不曉得我為何停筆不前。難道我忘瞭自己的姓名和地址?其實我是在盯著第一頁頂端的訂書針瞧,很確定它也是鋼製的。這一小根其貌不揚的銀色金屬不僅刺穿瞭紙麵, 而且乾淨利落,精準無比。我仔細觀察訂書針的背麵,發現它兩端整整齊齊對摺收好,把紙緊緊抱住。連珠寶匠也沒有這等功夫。我後來查到世界上第一把訂書機是工匠親手為法國國王路易十五打造的,每一根針上都刻著國王的姓名縮寫。誰想得到訂書機竟然有皇室血統?我覺得這訂書針真是“巧奪天工”,於是指給父母親看。他們兩人對看一眼,麵帶愁容,心想這孩子一定是神經錯亂瞭。
我想是吧,因為怪事顯然發生瞭。那一天,我正式成瞭“材料迷”, 而頭一個對象就是鋼。我突然對鋼超級敏感,發現它無所不在,其實隻要開始留意,就會察覺確實如此。
我在警察局做筆錄時,發現圓珠筆尖是鋼做的;我父親焦急地等待時, 鑰匙圈當啷作響,那也是鋼製成的;後來它還護送我迴傢,因為包住我傢車子外殼的還是鋼,而且厚度比一張明信片還薄。說也奇怪,那輛小Mini 平常很吵,但我覺得它那天特彆乖巧,仿佛在代錶鋼為下午的事嚮我道歉。迴傢後,我和父親並肩坐在餐桌前,安靜地喝著母親煮的湯。我突然停下來, 發現自己正拿著一塊鋼片放進嘴裏。我把不銹鋼湯匙吸吮乾淨,拿齣來看著它發亮的錶麵。那勺麵又光又亮,連我變形的倒影都看得見。“這是什麼材質?”我揮動手裏的湯匙問父親,“還有,它為什麼沒味道?”說完, 我把湯匙放迴嘴裏仔細吸吮,確定它是不是真的沒味道。
我腦中湧齣瞭幾百萬個問題。鋼為我們做瞭那麼多事,我們為什麼幾乎不曾提到它?這材料和我們那麼親密,我們把它含在嘴裏、用它去除不要的毛發、坐在它裏麵到處跑,它是我們最忠實的朋友,我們卻幾乎不曉得它如此萬能的訣竅。為什麼剃刀用來切割,迴形針卻能隨意彎摺?為什麼金屬會發亮,玻璃卻是透明的?為什麼幾乎所有人都討厭混凝土而喜歡鑽石?為什麼巧剋力那麼好吃?某某材料為什麼外觀是那樣子、有那樣的性質?
材料構築瞭我們的世界
自從那天被人刺傷之後,我幾乎所有時間都沉迷在材料裏。我在牛津大學攻讀材料科學拿到博士,研究主題是噴氣發動機用閤金,接著又到全球各地最先進的實驗室擔任材料科學傢和工程師。我對材料愈來愈著迷,手邊收藏的特殊材料也愈來愈多。那些樣本如今都納入我跟同事兼好友賴芙琳(Zoe Laughlin)和康林(Martin Conreen)共同打造的材料館裏。其中有些怪得離譜,例如美國航空航天局的氣凝膠,成分有99.8% 是氣體,感覺就像固態煙霧;有些具有放射性,例如我在澳洲一傢古董店很裏麵的角落發現的鈾玻璃;有些很小卻重得誇張,例如要費盡韆辛萬苦纔能從鎢錳鐵礦提煉鑄成的鎢條;有些雖然常見卻隱含不為人知的秘密,例如自愈型混凝土。這座材料館目前位於英國倫敦大學學院的製成研究中心,裏頭收藏瞭上韆種材料,呈現齣建構我們這個世界——從住傢、衣服、機器到車輛的各種原料。你可以用它們重建文明, 也可以用它們毀滅世界。
然而,我們還有一個更巨大的材料館,裏頭收藏瞭數百萬種材料,這是已知最大的材料館,而且收藏數量一直呈指數增長:那就是人造物的世界。請看本頁的照片。這是我在我傢屋頂喝茶的照片。這張照片非常普通,但如果仔細觀察,就會發現它像一份型錄,列齣瞭建構我們整個文明世界的各種材料。這些材料很重要。拿掉混凝土、玻璃、織物、金屬和其餘材料, 我就隻能光溜溜地飄在空中發抖。我們或許自認為文明,但文明絕大多數得歸功於豐饒的物質。少瞭物質材料,我們可能很快就得和其他動物一樣為瞭生存而搏鬥。因此從這個角度看,是衣服、住宅、城市和各式各樣的“東西”讓我們成為人(隻要去過災區就知道我在說什麼),而我們用習俗和語言讓它們具有生命。因此,材料世界不僅是人類科技與文化的展現,更是人類的一部分。我們發明材料、製造材料,而材料讓我們成為我們。
文明時代就是材料時代
從我們對文明發展階段的劃分(石器時代、青銅時代和鐵器時代)就可以看齣材料對我們而言有多麼根本和重要。人類社會每一個新時代都是因為一種新材料齣現而促成的。鋼是維多利亞時代的關鍵原料,讓工程師得以充分實現夢想,做齣吊橋、鐵路、蒸汽機和郵輪。修建英國大西部鐵路與橋梁的偉大工程師布魯內爾(Isambard Kingdom Brunel)用材料改造瞭地景,播下瞭現代主義的種子。
20 世紀常被歌頌為矽時代,是因為材料科學的突破帶來瞭矽芯片和信息革命。但這個說法忽略瞭其他五花八門的嶄新材質,它們同樣改寫瞭現代人的生活。建築師運用大規模生産的結構鋼和平闆玻璃建起摩天大樓,創造齣新的都市生活形態。産品和服裝設計師用塑料徹底改變瞭我們的住宅與穿著。聚閤物製造而成的賽璐珞催生瞭影像文化一韆年來的最大變革,也就是電影的誕生。鋁閤金和鎳超閤金讓我們製造齣噴氣發動機,使得飛行從此變得便宜,進而加速瞭文化互動。醫用和牙科陶瓷讓我們有能力重塑自己,並改寫瞭殘障與老化的定義。整形手術的英文是plastic surgery,而plastic 既有“整形”也有“塑料”的意思, 這顯示材料往往是新療法誕生的關鍵,從器官修補(如髖關節置換手術) 到美化外錶(如矽膠隆胸)都是如此。德國著名解剖學傢馮?哈根斯(Gunther von Hagens)博士展齣人體標本的“人體世界展”,也展現瞭新穎的生物醫用材料對文化的影響,促使我們思考自己生時和死後的物質性。
人類建構瞭物質世界。如果你想瞭解其中奧秘,挖掘這些物質來自何處、如何作用,又如何定義瞭我們,這本書便是獻給你的。材料雖然遍布我們周遭,卻往往麵貌模糊得齣奇,隱匿在我們生活的背景中,毫不顯眼, 乍看很難發現它們各有特色。絕大多數金屬都會散發灰色光澤,有多少人能分辨鋁和鋼的差彆?不同的樹木差異明顯,但有多少人能說齣為什麼? 塑料更是令人睏惑,誰曉得聚乙烯和聚丙烯有什麼差彆?但更根本的問題或許是:這種事有誰在乎?
我在乎,而且我想告訴你為什麼。不僅如此,既然主題是材料,是構成萬物的東西,那我愛從哪裏開始都可以。因此,我選瞭我在屋頂的照片當成這本書的起點和靈感來源。
我從照片中挑瞭10 種材料,用它們來說“東西”的故事。我會挖掘這10 種材料當初發明的動機,揭開其背後的材料科學之謎,贊嘆人如何用高明的技術把它們製造齣來。更重要的是,我會說明它為何重要,為何少一物便不能成世界。
在發掘的過程中,我們將發現材料和人一樣,差異往往深藏在錶麵之下,大多數人唯有靠先進的科學儀器纔能略窺一二。因此,為瞭瞭解材料的性質,我們必須跳脫人類的經驗尺度,鑽進物質裏麵。唯有進入這個微觀世界, 我們纔能明瞭為何有些材料會有氣味,有些則無;有些東西上韆年不變, 有些一曬太陽就發黃變皺;有些玻璃可以防彈,但玻璃酒杯卻一摔就碎。這趟微觀之旅將揭開我們飲食、衣著、用具和珠寶背後的科學,當然還探索瞭人體。
不過,微觀世界的空間尺度雖小,時間尺度卻常常大得驚人。就拿縴維和絲綫來說,它的尺寸和頭發差不多,是細得肉眼幾乎看不見的人造物, 我們可以用它來製造繩索、毛毯、地毯和最重要的東西:衣服。我們身上穿的牛仔褲和所有衣服都是微型編織結構,而許多結構的式樣比英國的巨石陣還古老。人類曆史都記載衣服能保暖、庇護身體,還能穿齣時尚,但衣服也是高科技産品,20 世紀發明瞭強韌的縴維,讓我們可以製作太空衣保護登陸月球的航天員,還有堅固的縴維可以製造義肢。至於我,我很開心有人發明瞭一種名叫“凱芙拉”的高強度閤成縴維,可以製作防刀刺的內衣。人類的材料技術發展瞭幾韆年,所以我會在書中不斷提到材料科學史。
本書每一章不但會介紹一種材料,還會提供一個認識材料的不同角度。有些主要從曆史齣發,有些來自個人經驗;有些強調材料的文化含義,有些則強調科技的驚人創造力。每一章都是這些角度的獨特混閤,理由很簡單, 因為材料太多種類也太多樣,我們跟材料的關係也是如此,不可能一概而論。材料科學是從技術層麵瞭解物質的最強大、最統閤的理論架構,但重點還是關於材料,而不是探討科學。畢竟所有東西都是由彆的東西製成的, 而製造東西的人(藝術傢、設計師、廚師、工程師、傢具師傅、珠寶匠和外科醫生等),對所使用的材料都有屬於自己的情感、感覺和運用方式。我想捕捉的就是如此豐富多樣的材料知識。
例如,我在討論紙的那一章用瞭許多角度,像快照一樣呈現,理由不隻是紙有各種形態,還因為幾乎所有人都在以許多方式使用紙。但在討論生物醫用材料的那一章,我卻鑽入瞭“人類的物質自我”(也就是人體) 的最深處。這塊領域正迅速成為材料科學的處女地,不斷有新材料齣現, 開啓瞭名為仿生學的全新世界,讓人體得以藉助植入物而重建。這些植入物都經過設計,可以“聰明地”融入肌肉和血液的運作中。它們誓言徹底改變人和自我的關係,因此對未來社會有深遠的影響。
看不見的微觀世界影響大
由於萬物都由原子組成,因此我們無法不談原子的運作原理,也就是人稱量子力學的理論。這錶示我們一旦進入微觀原子世界,就必須完全捨棄常識,開始談論波函數和電子態。愈來愈多材料從這個微觀尺度創造齣來, 而且這些材料看起來幾乎無所不能。運用量子力學設計而成的矽芯片已經催生瞭信息時代,而以同樣方式設計的太陽能電池很有潛力,隻靠陽光就能解決能源問題。不過革命尚未成功,我們還在使用石油和煤炭。為什麼? 在發電領域有一個明日之星——石墨烯,我會試著用它來解釋當下發電方式的局限。
簡而言之,材料科學的基本概念就是:看不見的微觀世界若有變化, 那麼在人的尺度之中,物質行為也會跟著改變。我們的祖先能做齣銅和鋼之類的新材料,就是因為碰巧濛到瞭這個過程。差彆隻在於老祖先沒有顯微鏡,看不見自己在做什麼,但這隻讓他們的成就顯得更加驚人。比方說, 敲打金屬不隻會改變它外在的形狀,還會改變它內在的結構,因此若用某種方式敲擊,金屬的內在結構就會有所改變,使它變得更硬。我們的祖先從經驗中學到瞭此事,隻不過並不知其所以然。人類的材料知識從石器時代開始就不斷纍積,但直到20 世紀纔掌握瞭材料的真正結構。然而, 蘊含在鑄鐵和其他工藝裏的經驗知識依然重要,而本書提到的材料也幾乎都是經由我們手腦並用纔發現和認識的,因此認識材料不僅靠腦袋, 也靠雙手。
人在感覺和生活上都和材料建立瞭關係,這帶來瞭許多奇妙的結果。有些物質雖然有瑕疵,我們卻愛不釋手;有些材料很實用,我們卻深惡痛絕。就拿陶瓷來說吧。陶瓷是餐具的原料,我們的杯碗瓢盤都是陶瓷做的, 無論住傢或餐廳,少瞭陶瓷就不完整。
人類從幾韆年前發明農耕以來就在使用陶瓷,然而陶瓷用久瞭容易有缺口、發生龜裂,甚至在不該破的時候摔得粉碎。我們為何不改用更堅固的材料,例如塑料或金屬來製作碗盤和杯子?陶瓷在物理上有這些缺點, 我們為何還對它不離不棄?許多領域的學者都在問這個問題,例如考古學傢、人類學傢、設計師和藝術傢,但有一門學科專門有係統地研究人對材料的感官反應,並且發現瞭許多有趣的現象,那就是心理物理學。
例如針對“酥脆感”所做的研究顯示,我們覺得某些食物好吃與否不隻是跟味道有關,還跟品嘗時的聲音有關,兩者同樣重要。這讓不少廚師受到啓發,開發齣具有音效的餐點,而某些薯片商更進一步,不僅讓産品更酥脆,還讓包裝更會發齣聲音。我在介紹巧剋力那一章會討論材料的心理物理學意義,同時說明材料的感官性幾百年來一直是人類發明創造的主要動力。
這本書當然無法涵蓋所有材料,也無法盡述材料和人類文化的關係, 而是概略介紹材料如何影響我們的生活,並且闡述即使單純如在屋頂上喝茶的活動,也必須倚賴復雜的物質網絡纔能進行。各位不必到博物館就能領略曆史和科技如何推動人類社會,它們的影響此時此刻就在你身旁四周,隻是我們多數時候視而不見。我們必須視而不見,因為要是我們整天一邊用手指滑過水泥牆麵,一邊發齣贊嘆,肯定會被當成瘋子。但在某些機緣下你會陷入沉思:我在地鐵站被人刺瞭一刀的那一刻,就屬於那樣的機緣, 而我希望這本書也提供這樣的機緣,能讓你走進神奇的材料世界。
……
《迷人的材料:10種改變世界的神奇物質和它們背後的科學故事》 簡介 從古老的陶器到未來的超導體,材料的演變與人類文明的進步緊密相連。它們是我們生存、發展和探索宇宙的基礎。這本書將帶領我們踏上一段激動人心的旅程,深入探索那些塑造瞭我們世界的十種非凡材料,揭示它們令人驚嘆的科學原理和引人入勝的故事。 第一章:改變思想的火花——玻璃 當亞述人意外地在銅爐中發現瞭閃爍著奇妙光澤的透明物質時,他們或許並未預料到,這僅僅是玻璃漫長而輝煌曆史的開端。從古埃及人製作的精美珠飾,到羅馬人吹製齣的晶瑩剔透的酒杯,玻璃的齣現不僅豐富瞭人們的物質生活,更在視覺上帶來瞭革命性的改變。 玻璃的本質是一種非晶體固體,其原子排列沒有固定的晶體結構,這賦予瞭它獨特的透明性。矽砂(二氧化矽)是最主要的原料,但要將其融化並塑造成型,需要極高的溫度。數韆年來,人類通過不斷試驗,找到瞭各種助熔劑,如純堿(碳酸鈉)和石灰石(碳酸鈣),它們能降低二氧化矽的熔點,使其更容易加工。現代玻璃製造更是高度精密,可以根據不同需求調整成分,生産齣超白玻璃、防爆玻璃、光學玻璃等。 玻璃的科學故事,不僅僅是化學反應和物理性質的堆砌。它關乎人類對光學的理解,對建築美學的追求,甚至對科學探索的貢獻。伽利略用玻璃製造的望遠鏡,將人類的目光引嚮浩瀚的星空,開啓瞭天文學的新紀元。顯微鏡的齣現,則讓我們得以窺探微觀世界的奧秘。光學縴維的誕生,更是以前所未有的速度和容量,實現瞭信息的全球互聯。從最早的樸素器皿,到現代通信和科學研究不可或缺的工具,玻璃始終以其獨特的透明魅力,默默地改變著我們認識世界的方式。 第二章:堅韌與文明的基石——金屬 人類與金屬的相遇,是一場漫長而深刻的“化學療法”。從最初從礦石中提煉齣銅,點燃瞭青銅時代的火種,到鐵器的普及,再到現代閤金技術的日新月異,金屬材料的每一次飛躍,都伴隨著一次文明的革新。 金屬之所以能夠被人類廣泛應用,源於其獨特的物理和化學性質。金屬原子在外層存在離域的電子,這些“自由電子”使得金屬具有優異的導電性和導熱性。同時,這種電子結構也賦予瞭金屬光澤,並使其能夠被塑造成各種形狀。 純金屬往往有其局限性,例如銅的強度不足,鐵容易生銹。人類很早就發現瞭“閤金”的智慧,通過將兩種或多種金屬(或金屬與非金屬)熔閤,可以顯著改善材料的性能。青銅(銅和锡的閤金)比純銅更堅硬,是古代兵器和工具的重要材料。後來的鋼(鐵和碳的閤金)的齣現,更是將人類的製造能力提升到瞭一個新的水平,無論是建築、交通還是工業生産,都離不開鋼的支撐。 現代冶金學更是將閤金的藝術推嚮極緻。不銹鋼,通過加入鉻,賦予瞭鐵閤金優異的抗腐蝕能力,讓我們的廚房用具和建築結構得以長久保持光潔。鋁閤金,以其輕質高強的特點,在航空航天領域發揮著不可替代的作用。鈦閤金,因其生物相容性和優異的力學性能,被廣泛應用於醫療器械和高性能運動裝備。 金屬的科學故事,是人類認識和改造自然能力的體現。從簡單的敲打和鍛造,到復雜的煉製和閤金化,每一個進步都凝結著無數的智慧和汗水。它們支撐著我們的城市,承載著我們的交通,構築瞭我們的技術,金屬,無疑是人類文明最堅韌的基石。 第三章:溫暖與能量的源泉——木材 在現代工業的洪流中,我們似乎很容易忽視木材曾經和現在的重要性。然而,這看似普通的有機材料,卻是人類文明發展曆史上不可或缺的組成部分,它不僅為我們提供瞭溫暖和庇護,更是能量、建築和藝術的基石。 木材的本質是一種由縴維素、半縴維素和木質素組成的復閤材料。這種復雜的有機結構賦予瞭木材獨特的性能:易於加工,良好的隔熱性和隔音性,以及一種天然的、溫暖的觸感。從古老的茅草屋到宏偉的木結構建築,木材一直是人類最重要的建築材料之一。它不僅提供瞭遮風擋雨的場所,還以其自然的美感,營造齣溫馨宜人的居住環境。 在能源方麵,燃燒木材曾是人類最主要的取暖和烹飪方式,其能量密度雖然不及化石燃料,但在過去的漫長歲月中,它維係著人類的生存和發展。如今,隨著對可持續發展的重視,木材作為可再生能源,在生物質能領域再次煥發活力。 木材的科學故事,也蘊含著對植物生長機製的理解。木材的生長年輪,記錄著氣候的變化和環境的因素,是研究古氣候的重要依據。科學傢們對木材的縴維結構進行深入研究,發展齣各種木質復閤材料,如膠閤闆、刨花闆和縴維闆,它們在傢具製造、建築裝飾等領域有著廣泛的應用,充分利用瞭木材的特性,並剋服瞭天然木材的一些局限性。 即使在現代,木材依然在多個領域發揮著重要作用。造紙業離不開木漿;紡織業中,人造絲等再生縴維素縴維也源於木材;在高科技領域,一些生物基材料的研發也藉鑒瞭木材的結構和特性。木材,這位沉默而勤勞的貢獻者,用它溫潤的質感和強大的功能,默默地支撐著人類社會的方方麵麵。 第四章:輕盈與飛翔的夢想——塑料 當亞曆山大·帕剋斯在1862年展示瞭第一種人造塑料——賽璐珞時,他或許並未完全預料到,這種可塑性極強的材料將如何徹底改變20世紀乃至21世紀的生産和生活方式。從最初模仿天然物質的嘗試,到如今種類繁多、性能各異的閤成高分子材料,塑料的誕生,是人類駕馭化學反應,創造新物質能力的又一次偉大飛躍。 塑料的本質是高分子聚閤物,由許多小的單體分子通過化學鍵連接形成的長鏈狀分子。這種特殊的結構賦予瞭塑料“可塑性”——在加熱時可以軟化變形,冷卻後又可以保持形狀的特性。不同的單體和聚閤方式,可以産生性能迥異的塑料,從柔軟的保鮮膜,到堅硬的工程塑料。 塑料的齣現,極大地降低瞭許多産品的生産成本,使得曾經昂貴的物品得以普及。它們輕便、耐用、易於著色和成型,廣泛應用於包裝、服裝、傢用電器、汽車、電子産品等各個領域。一次性塑料製品,更是深刻地改變瞭我們的消費習慣,雖然也帶來瞭環境挑戰,但其便利性依然難以替代。 然而,塑料也並非完美無缺。其耐降解性導緻的環境汙染問題,已經成為當今世界麵臨的嚴峻挑戰。科學傢們正在積極研發可降降解塑料,以及更高效的迴收利用技術,試圖在享受塑料便利的同時,減輕其對環境的負擔。 塑料的科學故事,是化學傢們不斷挑戰分子結構的極限,創造齣前所未有的材料的史詩。它們見證瞭人類對物質世界的探索,也映照齣人類在創造與責任之間不斷尋求平衡的智慧。 第五章:能量的脈搏——石油 石油,這個看似普通的黑色液體,卻是現代工業文明跳動的能量脈搏。它不僅是交通工具的燃料,更是無數化學産品的“萬能原料”,深刻地塑造瞭我們今天的生活方式。 石油的本質是復雜的烴類混閤物,主要由古代海洋生物遺骸在地殼深處經過數百萬年的高溫高壓作用而形成。其主要成分是碳氫化閤物,通過精煉和分離,可以得到汽油、柴油、煤油等燃料,以及石腦油等重要的化工原料。 石油的發現和開發,極大地推動瞭工業革命的進程。內燃機的發明,使得以石油為燃料的汽車、飛機得以普及,極大地改變瞭人類的齣行方式和貿易格局。同時,石油化工産業的興起,更是為我們帶來瞭各種各樣的閤成材料,如上文提到的塑料,以及閤成橡膠、閤成縴維、化肥、藥品等,幾乎滲透到我們生活的每一個角落。 然而,過度依賴石油也帶來瞭嚴重的能源危機和環境問題。化石燃料的燃燒釋放大量溫室氣體,導緻全球氣候變暖。因此,尋找和發展替代性能源,已經成為當今世界的重要課題。 石油的科學故事,是地質學、化學工程和經濟學交織的宏大敘事。它講述瞭人類如何從地下發掘齣如此巨大的能量寶藏,如何將其轉化為驅動現代社會的動力,也警示著我們必須以更加可持續的方式,重新審視我們對能源的依賴。 第六章:信息的絲綫——半導體 在信息爆炸的時代,一個微小而不起眼的材料,卻悄然改變瞭整個世界的運作方式——那就是半導體。從最早的鍺管到如今集成電路中密集的矽芯片,半導體材料的發展,是電子技術革命的核心驅動力,也是信息時代到來的關鍵。 半導體的獨特性在於其導電性介於導體和絕緣體之間。在純淨狀態下,它們的導電性較差,但通過摻雜(加入少量雜質原子),可以顯著改變其導電性能,從而實現對電流的精確控製。矽是最常見的半導體材料,因其儲量豐富且性能優異而成為現代電子工業的基石。 半導體的核心應用在於“晶體管”和“集成電路”。晶體管就像一個微小的電子開關,可以放大或控製電流,是構成現代電子設備的基本單元。而集成電路(IC),則將成韆上萬甚至數十億個晶體管集成在一塊小小的芯片上,實現瞭強大的計算和信息處理能力。 正是半導體材料的不斷進步,纔有瞭電腦、手機、互聯網,以及我們今天所知的數字世界。它們讓信息傳輸的速度呈指數級增長,讓計算能力變得前所未有的強大,徹底顛覆瞭我們的工作、學習和娛樂方式。 半導體的科學故事,是物理學、材料科學和電子工程的深度融閤。它講述瞭人類如何通過對原子和電子的精確控製,創造齣能夠處理和傳輸信息的“數字大腦”,也預示著未來電子設備將更加智能化、微型化和高效化。 第七章:未來的希望——生物可降解材料 隨著全球環境問題的日益嚴峻,對傳統不可降解材料的擔憂與日俱增。生物可降解材料的齣現,為我們提供瞭一種全新的解決方案,它們在完成使命後,能夠在大自然中被微生物分解,迴歸環境,成為可持續發展的重要組成部分。 生物可降解材料的種類繁多,包括: 聚乳酸(PLA): 由可再生資源(如玉米澱粉)發酵産生的乳酸聚閤而成,廣泛應用於包裝、一次性餐具、紡織品等領域。 聚羥基脂肪酸酯(PHAs): 由微生物閤成,在自然界中易於降解,具有良好的生物相容性,可用於醫療器械和環保包裝。 澱粉基材料: 以澱粉為主要原料,通過改性製得,成本較低,可用於一次性用品和農業地膜。 縴維素基材料: 從植物縴維中提取,具有良好的可塑性和力學性能,可用於包裝和一次性用品。 這些材料的齣現,不僅緩解瞭塑料汙染的壓力,還為我們提供瞭一種更環保的生活方式。它們在醫療領域,如可吸收縫閤綫、藥物緩釋載體等方麵,也發揮著越來越重要的作用。 生物可降解材料的科學故事,是材料科學傢們緻力於尋找環保替代品,與大自然和諧共生的努力。它們代錶著我們對未來的美好期許,希望能夠用科技的力量,修復我們對地球造成的傷害,實現真正的可持續發展。 第八章:堅固與輕盈的平衡——碳縴維 在追求更輕、更強、更高效的材料的道路上,碳縴維以其卓越的性能,在多個領域留下瞭深刻的印記。它是一種由碳原子組成的、直徑僅有頭發絲萬分之一的縴維,卻擁有令人驚嘆的強度和韌性。 碳縴維的製造過程通常是將聚丙烯腈(PAN)或其他有機前體在高溫下進行炭化和石墨化處理。在這個過程中,有機分子中的碳原子重新排列,形成高度取嚮的石墨晶格,從而賦予瞭碳縴維極高的抗拉強度和模量(抵抗變形的能力)。 碳縴維最顯著的特點是其“比強度”和“比模量”極高,這意味著在同等重量下,它的強度遠超鋼和鋁,而在同等強度下,它的重量卻要輕得多。這種特性使其成為航空航天、汽車製造、體育用品等對重量和強度要求極高的領域的理想材料。 在航空航天領域,碳縴維復閤材料的應用,使得飛機結構更輕,燃料效率更高。在汽車工業中,它有助於提高車輛的燃油經濟性和操控性能。在體育用品領域,碳縴維自行車、網球拍、高爾夫球杆等,更是為運動員提供瞭更優越的錶現。 碳縴維的科學故事,是人類對碳元素特性的極緻挖掘,是將微觀的原子排列與宏觀的材料性能緊密聯係的典範。它代錶著材料科學在高強度、輕量化方嚮的重大突破,為未來的交通、能源和工業發展提供瞭強大的技術支撐。 第九章:導電的新篇章——超導體 想象一下,電流可以在材料中暢通無阻地流動,沒有任何能量損耗。這就是超導現象,而擁有這種神奇能力的材料,被稱為超導體。自1911年海剋·卡末林·昂內斯發現第一個超導體——汞以來,超導材料的研究一直是物理學領域最激動人心的前沿之一。 超導體的核心特性是“零電阻”和“邁斯納效應”。零電阻意味著電流可以在其中無阻礙地流動,這預示著能源傳輸和電力儲存的巨大潛力。邁斯納效應則是指超導體在低於臨界溫度時,能夠完全排斥外部磁場,從而實現懸浮。 早期的超導體大多需要在極低的溫度(接近絕對零度)下纔能實現超導,這極大地限製瞭它們的實際應用。然而,隨著高溫超導材料(盡管“高溫”相對於絕對零度而言仍然很低,但比傳統超導體要高得多)的不斷發現,超導體在能源、交通、醫療和科學研究等領域的應用前景變得越來越廣闊。 例如,在能源領域,超導電纜可以實現零損耗的電力傳輸,極大地提高能源利用效率。在交通領域,超導磁懸浮列車利用邁斯納效應實現高速、平穩的運行。在醫療領域,超導磁共振成像(MRI)設備利用超導磁體産生強大的磁場,為疾病診斷提供瞭清晰的圖像。 超導體的科學故事,是人類對量子力學現象的深刻理解,以及對材料設計和閤成能力的不斷提升。它充滿瞭探索未知、挑戰極限的勇氣,也預示著一個更加高效、清潔和先進的未來。 第十章:未來的無限可能——智能材料 我們生活在一個科技日新月異的時代,而“智能材料”的齣現,更是將這種變化推嚮瞭一個新的維度。它們能夠感知外界環境的變化,並作齣相應的響應,仿佛擁有“生命”一般。 智能材料的定義非常廣泛,但其核心在於能夠對外部刺激(如溫度、光、電、磁、壓力、pH值等)産生可逆的、可控的響應。這些響應可以是形狀的變化、顔色的改變、導電性的調整,甚至是藥物的釋放。 一些常見的智能材料類型包括: 形狀記憶閤金(SMA): 能夠在加熱到一定溫度後,恢復到預設的形狀,被廣泛應用於醫療器械(如血管支架)、航空航天和精密機械。 液晶(LC): 其分子排列會隨著溫度或電場的變化而改變,這是我們日常使用的液晶顯示屏(LCD)的基礎。 壓電材料: 施加壓力時會産生電荷,反之,施加電場時會發生形變,可用於傳感器、執行器和能量收集裝置。 光緻變色材料: 暴露在特定波長的光下會改變顔色,可用於變色眼鏡、防僞標識等。 響應性聚閤物: 能夠根據溫度、pH值等環境變化而膨脹、收縮或改變溶解度,在藥物遞送、生物傳感器等領域有潛力。 智能材料的科學故事,是材料科學傢們對自然界中物質響應機製的模仿和創新。它們正在為我們開啓一個充滿想象力的未來,從能夠自我修復的結構,到能夠根據人體需求調整藥物劑量的智能醫療設備,智能材料正以其獨特的“智慧”,重新定義我們對物質世界的認知和應用。 結語 從古老的陶器到未來的智能材料,這十種神奇物質的故事,僅僅是材料科學浩瀚宇宙中的一瞥。它們的存在,不僅證明瞭人類對自然規律的探索和利用能力,更揭示瞭材料創新對於推動社會進步和改變人類命運的決定性作用。每一次材料的革新,都伴隨著一場思維的革命,一次文明的飛躍。翻開這本書,讓我們一同走進這些迷人的物質世界,感受它們背後蘊含的科學智慧和人文魅力。