【每日新书】《迷人的材料》|10种改变世界的神奇物质。

人类如何将大自然的材料化合为更为得心应用的材料的，在制造这些材料的过程中，都有哪些有趣的故事？材料的发明在促进人类文明发展起到了哪些作用？《迷人的材料》给出答案

核心书摘：

我们的世界是由各种材料组成的，我们的生活也充满了材料，而每一种材料背后都有科学的原理。本书作者为我们讲述了钢铁、纸、混凝土、巧克力、发泡材料（气凝胶）、塑料、玻璃、瓷器、碳、仿生材料共10种材料的突出特性、发明或者发现的大致过程，以及材料的未来走向。

关于作者：

马克·米奥多尼克，伦敦大学材料科学教授，英国皇家工程学会会士，他曾入选《泰晤士报》“英国百大影响力科学家”，还曾担任过多部纪录片的主持人。

学什么：

1、文明时代就是材料时代

2、材料构筑了我们的世界

3、化学工业对世界的影响

小时候都看过《西游记》，里面最经典的片段之一就是太上老君要用炼丹炉炼孙悟空，但是孙悟空毫发无损，还大闹了天宫。为什么孙悟空不怕火炼？网上有人用科学进行了解释，他说，那时候的炼丹炉是煤炭炉，最高温度只能达到1200℃左右，而孙悟空是石猴，主要成分是二氧化硅，熔点在1600℃左右，所以太上老君不可能炼化孙悟空。虽然这是网友的搞笑之作，但它说明了一个问题，就是我们的世界是由各种材料组成的，我们的生活也充满了材料，而每一种材料背后都有科学的原理。

今天我们要共读的这本书就是讲材料的，书名叫《迷人的材料》，副标题是：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事。主要讲述了钢铁、纸、混凝土、巧克力、发泡材料（气凝胶）、塑料、玻璃、瓷器、碳、仿生材料共10种材料的突出特性、发明或者发现的大致过程，以及材料的未来走向。

本书的作者是马克·米奥多尼克，伦敦大学材料科学教授，英国皇家工程学会会士，他曾入选《泰晤士报》“英国百大影响力科学家”，还曾担任过多部纪录片的主持人。本书读起来非常轻松，因为它不单纯是科普知识，而且和我们的生活息息相关。它会教你从另一个角度欣赏生活，观察身边的材料。作者将带你领悟到材料的迷人之处，材料和我们生活的密切，以及材料是如何推动我们人类社会不断发展的。

一、文明时代就是材料时代

作者开篇就说道，文明时代就是材料时代。在他的眼里人类社会每一个新时代都是因为一种或几种新材料出现而促成的。而在这些材料中，对人类文明有着划时代意义的材料就是金属。

在石器时代，人类只能用木头、石头，甚至是动物的骨头作为生活的工具。有一天，我们的老祖宗无意中发现了金属这种神奇的材料，敲敲打打可以变硬，加热又能变软，完全可以根据人类的需要来进行锻造。为什么金属能软硬自如呢？

在材料科学中，从微观层面来解释，金属属于晶体材料，它的内部结构就是由一粒粒的原子组成，但是这些原子并不是有序排列的，在金属晶体内部存在着微观缺陷，也就是说，原子会偏离原本完美的堆砌状态，产生“位错”，这是金属能够改变形状的原因，一种金属的位错越容易移动，它的形状就越容易改变，硬度也就越低。曲别针之所以能够任意弯折，是因为位错在金属内部能以超音速移动。另一方面，为了满足硬度条件，需要限制位错的移动。合金就是这样一种技术，它将其他金属原子嵌入原金属本体之中，扰动了原金属晶体结构，从而到达到限制位错移动而稳定金属形状的目的。

我们的祖先在无意中发现有一种绿色石头，只要把它放进火焰中灼烧，就会变成发亮的金属，这种绿色石头就是孔雀石，而发亮的金属就是铜。人类由此逐渐打开了从天然矿石中提炼金属的大门。

金属铜的诞生也催生了金字塔。在公元前2000多年的时候，古埃及人建造金字塔用的岩石都是从矿场挖出来，再用铜凿子一块块削成固定大小的。考古学家估计，古埃及人大约挖掘了一万吨铜矿，制造了三十万把铜凿子。如果没有这些铜凿子，就算召集再多奴隶也盖不出金字塔。

从黄铜时代、青铜时代到铁器时代，在文明的不断发展中，合金也越来越坚硬。黄铜属于天然矿产，它很软而且容易冶炼。黄铜中加入少量的锡或者砷，就能冶炼出青铜，青铜是铜的合金，比黄铜坚硬许多。因此，如果手上有黄铜又知道冶炼的方法，只需要费一点功夫就能做出强度和硬度都比黄铜高十倍的武器。

唯一的麻烦是锡和砷非常稀有。所以青铜时代的人们开发了许多贸易路线，从康瓦尔和阿富汗等地运送锡矿到中东各文明的中心，就是为了打造更厉害的武器。

人类对钢铁的使用开始得比较早，但对钢铁的研究进展一直很缓慢，甚至有两千多年都处于依靠直觉摸索的状态。其实钢不是单质，而是一种混合物，他的主要成分是铁，掺杂成份主要是碳。早期生产的钢铁由于无法准确控制碳的比例，所以质量很不稳定。因为碳的比例会严重影响钢的性能，高碳钢硬而脆，低碳钢软而韧，所以炼钢的火候比较难掌握。

在古人眼里，钢铁是具有魔力的，炼钢的过程也是高度仪式化的，这种情况在日本最为明显。他们铸造一把武士刀不仅需要很长的时间，而且还要进行一种虔诚的仪式。到15世纪时，日本的武士刀开始独步全球，而且称霸世界五百多年，直到20世纪冶金科学大幅跃进才被超越。

人类直到工业革命之后，才有能力制造出比日本武士刀更锋利而且更强韧的钢材。这一次的材料革命是由欧洲国家发起的，他们已经能够建造大型高炉来炼制大型钢材，并利用钢材建造铁路、桥梁和军舰等大型建筑和装备。但因为当时的钢材还主要是铸铁，并不能算是严格意义上的钢铁，所以经常造成严重的意外。最惨痛的一次意外发生在苏格兰。1879年12月28日晚上，当时全球最长的铁道桥——泰河桥被强劲的冬季季风吹垮，致使载有75名乘客的客运火车坠入泰河，车上人无一生还。这场灾难证明了一个事实，就是铸铁不适合兴建桥梁。

这个时候，出现了一位天才工程师，他就是来自英国的亨利·贝塞麦，他发明了转炉炼钢法，这是现代炼钢最重要的基础工艺之一。他在自己的发明说明书中写道：“我的发明是：如果把空气或氧气吹到足够数量的铁水中，那么它会引起液态金属的强烈燃烧，并维持和升高温度，使金属在不用燃料的情况下保持液态，并除去碳（部分）和磷、硫，把铁变成钢……”他按着这一原理，自己进行了第一次小型实验，并取得了完全成功，但是当他把实验扩展到可进行工业生产的规模时，却遭遇了失败。

但贝塞麦并没有放弃，而是不断地改进自己的设备和工艺。最后他发现，如果先去除钢里全部的碳，再把百分之一的碳掺回去，这个方法有效解决了钢铁中碳的比例控制难题。接着，他又把自己发明的高炉改成了可以向一侧倾倒的样式，以使炼好的钢水易于倒出，使钢铁冶炼量产成为可能，他为自己的发明申请了专利，这就是早期炼钢工艺中的“氧气底吹转炉”法，工业革命就这么被掀起了。

钢铁家族中还有一个特殊的品种叫不锈钢，在我们日常生活中的应用非常广泛，但它的发明却是一个歪打正着的故事。

1913年，英国冶金专家亨利·布雷尔利潜心研究合金技术，他的主要方向是想要加强枪管的硬度。为此，他尝试在钢里加入各种各样不同的元素进行实验，然后把失败品都扔在车间的一个角落里。一个月后的一天，当他经过那个角落时，发现在一堆生锈的枪管里有个东西在闪闪发亮，这就是世界上第一根不锈钢管。

他对照自己的实验记录，发现这支枪管里添加的元素是碳和铬。铬虽然会让钢管变软，但他的化学性质比铁活跃，当氧气接触枪管的表面时，铬原子会先和氧发生反应，在枪管表面形成一层坚固透明的氧化铬保护层，隔绝了空气对钢铁的氧化，不锈钢由此被发明了出来。

从人类使用金属的历史我们可以发现，材料科学的每一次进步，都能带来一次人类技术和文明的升级。材料是衡量人类文明水平的一把标尺，也是推动人类文明升级的动力。因此，作者坚信，文明的时代，就是材料的时代。

除了金属，还有各种有趣的材料构筑起了我们赖以生存的世界，接下来我们一起来看看构筑我们世界的一些有趣的材料。

二、材料构筑了我们的世界

本书作者马克·米奥多尼克醉心于材料研究，一方面是因为家庭的影响，另一方面是因为在他身上发生的一个故事。

1985年，当作者还是中学生的时候，曾经遇到过一个小混混威胁勒索他。当时他在月台等火车，他一面与小混混周旋，一面等到火车进站，并在火车关门前的一刹那跳上了车，但那个小混混反应也很快，在他跳上车的同时，拿出早已准备好的刀片划向他的背部，刀片划破了五层衣物，在他的后背上留下了一道13厘米长的伤口。

后来警察抓住了小混混，并缴获了他的凶器，那是一个薄薄的、小小的剃胡刀片，这个小刀片比邮票也大不多少，却能轻易割穿五层衣服，割破作者的表皮和真皮，他感到很不可思议，因为他日常也使用这个小东西，却不知道它是如此危险。看着剃胡刀片，他开始琢磨：这是什么做的？为什么这么锋利？既然这么锋利，为什么用一用又会变钝呢？

米奥多尼克由此展开了一系列对于材料的思考，巧的是，他的父亲也是一位科学家，而且非常支持他的研究方向，于是作者开始沉迷在材料的世界里，凭借着对材料的迷恋，逐渐成为一位非常具有影响力的科学家。

当米奥多尼克在伦敦大学就职的时候，还跟同事们一起，建了一个材料博物馆，里面收藏了很多难得一见的材料。

作者除了拥有百折不饶的研究精神，更多的是拥有发掘能力，许多我们平常司空见惯的东西在他眼里，都是值得研究的材料。《迷人的材料》这本书就是以他在自家天台喝茶的照片为灵感来源创作出来的。

在书中专门有一章，讲的就是我们日常生活中最常见的纸。

大多数的纸张都来自于树木。树木能昂扬挺立，靠的是纤维素，这是用显微镜才看得见的细小纤维。纤维素凭借一种天然有机黏合剂——木质素，黏合在一起，形成极为坚硬强韧的复合体。造纸的过程就是先把树木中的纤维素提取出来，再经过后期的一系列工艺制成纸张。

要提取纤维素首先要把木质素去除掉，但这并不容易，因为纤维素和木质素之间的纠缠很像是头发上粘了口香糖又使劲揉和了一把。

要去除木质素，先要把木材打成碎片，再掺入多种化学物质，然后通过高温高压烹煮，让纤维素充分释出。

这个程序完成后，剩下的纤维就是木浆，显微镜下的木浆，有点像泡在稀薄酱料里的意大利面。紧接着是“上浆”，具体就是把高岭土或碳酸钙之类的细粉添加物按一定比例添加进木浆中。这些添加物的主要功能包括：提高纸张的强度、韧性，降低纸张的吸水力，防止墨水一沾到纸就渗进纤维里晕开，同时提高墨水的附着力和干涸速度等。

纸钞是纸张最诱人的形式，钞票也是世上制作最繁复的纸，因为钞票是实体的信物，代表着人们对国家经济体系的信任。

为了防止伪造，纸钞有几项绝活。钞票使用的材料和一般用纸不同，它不是木质纤维素，而是纯棉。棉不仅能让钞票更强韧，不怕会在雨中或洗衣机里分解，还改变了钞票的声音。而且稍微改变棉的密度，能使得纸钞的某些部分较亮、某些较暗，形成特殊的图形或图案，这就是我们熟知的水印。

纸钞中的假币是很让人烦心的，如果不能确定一张纸钞是不是伪钞，有一个简单的化学方法可以测试钞票是不是棉质的，那就是使用碘笔。用碘笔在木质纤维素做的纸上写字，纤维素里的淀粉会和碘作用，形成色素而变黑。用碘笔在棉质纸上写字，由于纸里不含淀粉，所以不会变色。

除了钞票，很多人也抵挡不住美味巧克力的诱惑。巧克力在嘴里最初是硬的，但是慢慢地，它会在口腔热度的作用下逐渐变软，最后彻底熔化。

很多巧克力制作商的广告都宣称入口即化，尽享丝滑。的确，巧克力的口感是集数百年厨艺和制造技术的巅峰之作。为什么巧克力可以做到入口即化呢？因为制作黑巧克力的可可脂晶体的熔点接近于人体体温，即34°，当放入口中融化之后，它会释放原本被可可脂晶格所束缚的数百种物质。这些物质包括大量的可可粉、糖类，还有600多种各种各样的香气分子。这是一个既清爽又香醇的体验，心理学家研究发现，吃巧克力对大脑和心脏的刺激远比接吻来的强烈。

对于人来说，巧克力是人间美味，但是对于狗狗来说就是杀手。巧克力中含有可可碱，对于人来说，它是一种效果温和的兴奋剂兼抗氧化剂。但对于狗来说则是剧毒！每年都会有许多狗因为误食巧克力而丧命，所以一定不要和你的爱犬分享巧克力。

那么巧克力最早是什么时候被传进中国的呢？说起来，清朝的康熙皇帝应该算是中国品尝巧克力的第一人。

公元1693年夏天，康熙帝39岁，烈日炎炎，康熙帝却身患重病，盖了棉被还浑身发冷，御医们束手无策。最后两位法国传教士入宫献药，康熙服下后竟然神奇地康复了。后来人们知道，康熙得的病就是“疟疾”，两位法国传教士所献的药，名叫奎宁，也叫金鸡纳霜。

康熙因为吃了传教士的药治好了病，就开始对西洋药物产生了浓厚的兴趣。正好赶上罗马教皇派使节铎罗到中国传教，来中国的时候，铎罗随身带了不少巧克力还有一整套制作巧克力的工具。有的官员看到了，以为这是一种提神醒脑的药品，就写到奏折里报给了康熙皇帝，说传教士经常饮用一种叫“绰科拉”的饮料。既然写到奏折里了，自然还得把这东西亲自送到皇帝面前。于是，专门负责保存西洋药的武英殿总监造赫世亨出马了。

赫世亨先是找到传教士铎罗唠嗑，了解这种“绰科拉”味道如何，怎样操作，有什么功能，然后仿照欧洲上流社会的方法，比照着铎罗带的家伙事儿，专门打造了一套银器，配上黄杨木制成的搅拌签子，一股脑儿给送到了皇上面前。

赫世亨对这些东西解释了一通，将“绰科拉”这味西洋药和中医进行了完美对接。为了让皇上心里踏实，他还让宫里的西洋大夫给这所谓的汤药性质下了鉴定书。不过康熙皇帝对此还不满意，质问他说：“你写了那么多，怎么就没写疗效呢？”

赫世亨只好再给皇上解释说：在阿美利加那个地方，人们都拿这个当茶喝，“老年人，胃虚、胃寒、胃结食的人都可以饮用，可以帮助消食，对身体大有好处。”这可不是赫世亨信口胡说，巧克力中的主要成份，可可碱和咖啡因的确可以起到一定的药理作用。

康熙按照赫世亨提供的方法，喝了一次巧克力，但他非常不适应巧克力的味道。康熙是喝惯了中国名茶的人，他认为，我大清朝什么茶叶没有，为何要喝这么难喝的“美洲茶”，所以，就将巧克力放在一边，再也不提了。

了解完金属、纸张、巧克力的传奇故事，还有一种材料也给人类社会带来了巨大的影响，重塑了所有人的生活方式，它就是塑料。

三、化学工业对世界的影响

塑料制品现在已经广泛应用于我们的生活之中，从工业生产到衣食住行，塑料制品几乎无处不在。

但塑料工业的第一个产品赛璐珞，却不是为了服务民生的，而是为了代替象牙而诞生的。

大约14世纪的时候，台球运动在欧洲皇室和富人圈子开始流行。一直到19世纪70年代，所有的台球都是象牙所制。因为象牙的性质坚韧，可塑性强，经历几千次高速撞击都不会损坏，所以成为制作台球的首选材料。但象牙制品有一个致命的问题，就是价格昂贵，一根象牙大概只能制5个台球，这是十分奢侈的，所以台球在最初只能是一种彰显身份的贵族运动。

后来，台球运动从贵族圈子拓展开来，成为一种在世界范围内流行的体育项目。然而当台球在美国酒吧盛行后，价格昂贵就成了象牙台球的最大缺点。为了获取象牙，光是在英国，一年就要杀死一万多头大象来制作台球。为了降低成本，精明的制造商开始寻觅新材料，用来代替日益稀缺的象牙。1865年，一家台球制造公司在报纸上刊登广告，悬赏一万美元，寻找象牙台球的替代品。

一位叫约翰·海厄特的美国印刷工人，同时也是民间化学家，他一直和弟弟在家中鼓捣化学实验。他看到悬赏广告后，决定找出一种能代替象牙的材料。在多次失败后，海厄特想到了在之前的伦敦世博会上，一位叫亚历山大·帕克斯的英国人曾展示过一种可塑性很强的新材料。

其实早在1851年，英国发明家帕克辛就曾将棉花进行硝化处理，并溶于乙醇和乙醚溶液后制得一种加热可塑型的新材料“帕克辛”。但因造价昂贵和性质极其不稳定等缺陷，无法进行工业量产。

于是海厄特便沿着帕克辛的制作思路继续探索。1869年，海厄特发现樟脑的酒精溶液可以更好地溶解硝酸纤维素，提升溶液的浓度，并且得到的材料性能柔韧、硬而不脆，在热压下可得到各种形状的制品，当真可以用来做台球，海厄特给这种新材料取名为“赛璐珞”（硝化纤维素）。

不过，由于用赛璐珞制造的台球在开始时非常容易爆炸着火，所以海厄特并没有得到那一万美元的赏金。但对他来说，这已经不算事了，1870年，年仅28岁的海厄特拥有了赛璐珞的专利权，1872年，海厄特在美国建立了一个生产赛璐珞的工厂，从此开创了塑料工业的先河。

除了巨大的台球市场外，赛璐珞在后来几乎可以覆盖人类的整个日常生活，很多种材料都能被这种便宜的新材料替代。

例如在摄影领域。在胶片之前，相机用的底片是用玻璃制成的。因为玻璃既笨重又昂贵，所以摄影这门艺术也只能是有钱人的专属。那时候的富人为了在出游时拍照，甚至还要专门雇人搬运着一大堆玻璃底片才能上路。

赛璐珞的出现彻底改变了这一切。在赛璐珞推出的同年，乔治·伊士曼就发明了一种赛璐珞材质的胶卷。它不但重量轻、而且不容易损坏，再加上底片本身也是软的，可以轻易卷起来塞到小桶中，非常方便携带，尤其重要的是，这种赛璐珞制的胶片比玻璃制底片便宜太多了。

也是在那一年，乔治·伊士曼还发明了使用塞洛路胶卷的相机，这也就是我们熟知的柯达相机。从此，摄影也成了百姓能够消费得起的寻常物，赛璐珞胶卷则成了视觉文化史上的一大转折点。

赛璐珞软底胶卷的诞生也同时催生了电影科技的进步。我们都知道，连续的图片变换，可以制造影像在动的视觉效果，赛璐珞胶片的出现，使这些图片变成了信息含量更庞大的电影。而且这种连续的胶片电影，还能投影到大银幕上，成为一代人对影院的记忆。

那个年代的赛璐珞几乎渗透进人类日常的方方面面，在很大程度上改变了人们的生活。衣服上的纽扣、人造珍珠项链、人造玳瑁梳子、电话外壳、梳妆盒、乒乓球、眼镜框、孩子的玩具，甚至是老人嘴里的假牙都是赛璐珞制品。象牙、龟壳、琥珀、黑玉、玻璃等很多贵族材料都能被这种便宜的新材料替代。以前只有富人能拥有的，现在普通人也可以以假乱真，满足一下虚荣心，实实在在地提升了全人类的生活品质。

除了赛璐珞以外，医学上用的福尔马林、硅胶、衣物上的尼龙制品、唱片用的黑胶等等其他塑料产品也极大地改变了整个人类社会的面貌。

所以说，每一种材料，都让人类多了一种探索世界的方式，更多了一种解决问题的方案，给人类带来全新的可能性，提供了另类的、新的思考维度。把不可能变成可能，这正是材料推动人类文明发展的意义所在。

结语

以上就是《迷人的材料》这本书的主要内容。

通过共读这本书，我们知道，人类的文明，就是材料的文明发展史。人类从石器时代、青铜时代、铁器时代，一直到现在的“硅”时代，经过了从原始到巧合、从黑暗中摸索到理论指导实际创新的过程，材料其实深刻影响了人类文明的进程，也影响着我们生活的方方面面。然而，我们平常看不见它们，因为太过习以为常。

所以作者在书中说：“在发掘的过程中，我们将发现材料和人一样，差异往往深藏在表面之下。”当下的我们，往往因为好奇心的缺失、不思进取的惰性以及对知识的无知、被丰富的网络娱乐迷失的学习心，而少了我们的先人们对未知世界的探索欲望，多了对过往经验和权威的依赖。这本书则为我们敲响了一记警钟。

【编辑：曾子墨】

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（语音、文字、图片部分来自今今乐道APP和网络，老农整理）