1、导读我们活在物质的世界里，我们也活在非物质的世界里。当我们常将“ 物质” （消 费主义）挂在嘴边时 ，我们却往往对构成我们周遭环境的各种“物质” （建构整个文明的基 础材料）视而不见。茶杯、喷气发动机到家用电器、内裤，我们的生活充满了材料。但你想过没有，为什么玻璃是透明的？是什么让橡皮筋有弹性？为什么曲别针会弯曲？为什么不锈钢不生锈？为什么某一种材料做成的东西会长那样？铝和钢有什么差别？同为塑料，聚乙烯和聚丙烯有什么不一样？玻璃为什么是透明的？巧克力的口感从何而来？马克米奥多尼克将这些隐藏在材料科学背后的故事都记录在了他的新书迷人的材料中。在书里，他挖掘了 10 种材料的发明动机，探索了其背后
2、的材料科学之谜，以及人是用怎样高明的技术把它们制造出来的。更重要的是，他向我们揭示了材料的意义：材料如何用它们的属性塑造了整个人造世界、如何影响我们的价值观、如何让我们成为我们。作者简介马克米奥多尼克：伦敦大学学院材料科学教授，英国皇家工程学会会士，入选泰晤士报“英国百大影响力科学家” 。他乐于为大众讲解材料科学，且广受欢迎，曾担任多部纪录片的主持人，包括英国国家广播公司第二台（BBC2）制作的发明的天才。 2010 年，他获邀在科普界最负盛名的英国皇家科学院圣诞讲座进行演讲。他也是伦敦大学学院制成研究中心主任，这个中心有一座材料馆，收藏了地球上最神奇的一些物质，并和多所博物馆共同推出互动节目
3、，合作伙伴包括泰特现代美术馆（Tate Modern），黑沃德画廊（ Hayward Gallery）和威康收藏馆（Wellcome Collection）等。文章结构作者在书中详解了钢铁、纸、水泥、巧克力、泡沫、塑料、玻璃、石墨、瓷、人造骨骼等 10 种材料。各章介绍第一章：不屈不挠的钢（steel）现代生活中，钢已经成为我们生活中不可缺少的一种重要材料，随处可见。但钢的形成过程却是经历了一个长期复杂的过程，是金属不断演化的过程。从铜器，到青铜器（铜锡合金），到铁器，到钢（碳铁合金），金属越来越硬。马克思曾说，人与动物最大的区别在于会使用工具。因此，工具发展史也就成了人类发展史的一个注脚。人
4、类文明则先后经历了旧石器时代、新石器时代、铜器时代（商周）、铁器时代（战国至工业社会）直到现代社会更丰富多元的新材料时代。旧石器就是用现成的石头、骨头作工具；新石器则稍微把石头与骨头加工一下。铜器时代开始，则是因为自然界的铜资源熔点低，易于开发，但铜硬度不够，直到人类能够冶炼更高的温度，才开始有了更坚硬的铁器。铁+碳= 钢，铁+铬=不 锈钢 。金属的发展经历了一个漫长的探索过程。在石器时代，金属非常罕见，铜和金是当时仅有的金属来源，因为地壳上只有这两种金属是自然存在的，其他都必须从矿石中提炼，而地壳上的铁也绝大部分来自天上的陨石。相比石头、木头这些工具，金属具有无可比拟的优点坚硬并可锻造。金属
5、加热后会流动且具有可塑性，并且越敲越强韧，但只要放入火中加热，就能反转整个过程，让金属变软，可以随意改变其形状，就可以根据需求制造各种金属工具。工业社会来临前，钢铁冶炼主要凭借经验，碳加多了会变脆，加少了则变软，因此造出好剑的概率很小，中国的干将、莫邪才会名垂千古。正是由于造出好钢的概率太小，一直以来男人刮胡子都没有刀片可用，必须定期去理发店，师傅还要时不时用皮革打磨剃刀。其实，皮革是起不到磨刀作用的，关键在于皮革上面加了耐磨的瓷粉，这层瓷粉会改变剃刀刀锋的分子结构，让边缘的钢铁分子重新排列整齐，从而变得更锋利。直到 1903 年，美国人吉列实现了刀片量产，理发店的这项业务才渐渐消亡。金属发展
6、过程其实是合金的发展过程，通俗来讲，就是往一种金属里添加少量的其他金属，形成合金，就会改变金属的颜色、硬度等等。合金通常比纯金属坚硬，原因是金属是由晶体组成，晶体内是驳杂的线条，称为“位错” ，它能让金属改变形状。而合金之所以更坚硬，是因为外来院子的大小和化学性质与原本的不同，因此嵌入后就会扰动原本金属晶体的物理和电子结构，让位错更难移动。钢就是一种非常特别的合金，钢是加了碳的铁，比青铜还硬。但是如果加入的碳过多，例如比例达到百分之四而非百分之一，那么形成的钢就极为易碎，不能拿来做工具和武器。拿武士刀来说，主体部分是有韧性的低碳钢，刃的部分主要是锋利的高碳钢，这样的组合使得一把刀既有锋利的刀刃
7、，又能经受住一次一次的撞击而不容易断。而不锈钢的发明又是一次偶然。一战期间，布雷尔利（Harry Brearley）受雇钻研合金，以便改良枪管。他就不断尝试往钢里加不同的元素，比如铝，比如镍。每天试一种，不行的材料扔角落里。有一天他发现那一堆废料里有一种没有生锈，那就是世界上第一块不锈钢。不锈钢的出现，可以说对我们的生活影响巨大，简直就是现代世界的缩影，虽然才出现短短一百年，但已经成为我们最熟悉的金属。布雷尔利最后用不锈钢做成餐具，让我们的舌头永远碰不到铁，唾液无法跟金属反应，从此人类再也不会受到餐具味道的影响，可以安心的享受美食了。第二章：值得信赖的纸古代中国有四大发明，其中最重要的可能就是
8、造纸术了。没有纸就没有书，没有书就没有知识的堡垒。没有知识的累积，也就没有了文化传承与演进。纸是人类最熟悉的老朋友，除了书，纸还以报纸、信封、照片（相纸）、礼品包装、购物小票、服装纸袋、车票、纸币等角色陪伴着每一个人的成长。尽管随着数字技术的发展，现代社会越来越“去纸 化” ，书报、照片、纸币 等都电子化了，但我们生活中无时无刻不在跟纸打交道。这其实常常让我们忘了，在人类历史上的大多数时候，纸都是稀有的奢侈品，那么纸到底是什么呢？平时大家看到的纸，尤其是笔记纸，看起来平整、光滑、毫无缝隙，但实际上纸是由一大群极微小的纤维压叠而成的，就像干草堆一样，只是它们的尺度太细微了。大部分的纸张来自于树木
9、，通过“去木质素” 把木材压成水平再掺入多种化学物质，然后用高温高压烹煮，以打断木质素内的键结，释放出纤维素过程，获得纤维素，也被成为木浆，就是液态的木材，然后把木浆放在平坦的表面上晾干，就会得到纸张。初加工的纸是棕色的，非常粗糙，往往需要使用化学漂白剂，并加入细致的白粉，例如被称为白垩（e）的碳酸钙。然后再加入其它涂料，防止墨水沾到纸上晕开。这一章作者扯了很多不同的纸，但是更多从人文的角度讲纸可以用来纪念过去传递感情，比如包装纸、信封、卫生纸、纸袋、封面纸、车票等等。比较有趣的是讲到超市小票和电子墨水。超市小票的材料是一种热敏纸（thermal paper）, 纸里面本来就有显色用的染料，叫
10、做隐性染料（leuco dye）。这种染料遇酸会发色，不然就是无色的。酸和染料都嵌入在纸里，而当打印小票的时候，纸片上的特定位置被加热，是的酸和染料反应，从而显色。这个解决了油墨的问题。电子墨水用的是亚努斯粒子，就是微粒的两个半球的性质不一样，或许有不同的颜色，不同的电性，等等。第三章：作为基础的混凝土水泥，顾名思义，水+泥。水泥不可能完全干掉，因为泥分子（如硅酸钙）将水分子困在其中，有点像果冻，但比果冻的含水量要少得多。水泥，光看名字就 low 到爆。其实，水泥是现代社会不可或缺的重要材料，没有水泥（钢筋混凝土） ，就没有摩天大楼。水泥也是技术含量不低的材料，水与灰的比例稍有失衡，就会导致豆
11、腐渣工程。水多了，硬度不够；水少了，泥化成灰。觉得水泥太土的人，别忘了，名满天下的悉尼水上歌剧院就是水泥浇筑而成。古罗马帝国的辉煌也在很大程度上归功于水泥与铁。亚平宁半岛有天然的铁矿和水泥资源，铁让古罗马军队有领先于周边国家一个时代的铁制兵器，水泥让古罗马建筑得以气势恢宏。罗马万神殿的水泥穹顶穿越 2000 多年的历史长河，至今依然屹立不倒，也是当今世界最大的无柱穹顶。反观中国的古建筑，唉，经常是一把火就化作了灰。最古老的中国建筑当属长城，但现存的长城主要是明长城，最早的春秋战国时期的长城是土质结构，太容易就风化掉了，石质的明长城耐久度更高一些，但修建效率比水泥可差远了，动不动工期就要数十年。
12、水泥是浇筑模式，而砖石是堆砌模式，液体材料显然要比固体材料的可塑性更高、一体性更强。水泥并非无懈可击，随着四季变换，水泥会热胀冷缩。时间一长，水泥内部分子结构就会遭到破坏，随之开裂。水泥向钢筋混凝土的进化，不是化学家的功劳，而是花匠的贡献。1860 年代，巴黎园艺师在制作花盆的时候，发现在水泥花盆中加入钢丝，花盆的耐久度更好。后来化学家发现，水泥与钢铁有相同的膨胀系数，钢铁的韧性弥补了水泥的缺点。第四章：美味的巧克力可可脂晶型的改变就是为什么有的巧克力有镜面有的巧克力非常松软的关键原因。猫猫狗狗不能吃巧克力哦，因为他们不能代谢可可碱。第五章：不可思议的发泡材料泡沫的诞生来源于这样一个奇葩的想法
13、，如果把果冻中的水分都抽掉，会剩下一个什么结构呢？一直以来，通过加热蒸发的方法都没法得到完整的结构，因为水分消失的同时，结构也被破坏了，所以会出现萎缩的情况。有人想到，把果冻放在高压锅里加热，让水分瞬间变成气体，保持结构的内外气压相同，然后就发现了泡沫这种结构。泡沫在隔热与缓冲方面的应用前景无量，上至航天飞机下至运动鞋底，都有泡沫材料的身影。第六章：充满创造力的塑料塑料的广泛应用与台球有不解之缘。如果不是美国太爱玩台球，而象牙又太稀缺，也许塑料的应用还要再等上几年。没有塑料，也就没有胶片，更没有电影可看了。这一章估计作者已经写疲乏了，所以用电影剧本的方式写了 8 个场景。人类对syntheti
14、c material 的追逐和探索，都是源于替换天然材料的动机。这里是为了替换用象牙做的台球。而化学合成早期谁都能买到各种化学品原料哪里都能开反应，真的是太疯狂了。第七章：透明的玻璃玻璃，这种现在那么常见的材料，被作者写出花来了！从沙漠里偶然形成的闪电熔岩(fulgurite)，到用于装饰教堂的彩色玻璃，到生产可以吹制的玻璃酒瓶，一直到透明玻璃杯促使 Lagar 啤酒的诞生，由玻璃发展出的望远镜和显微镜对西方的科学发展的推进，真的是，太让人惊叹了！第八章：坚不可摧的碳材料第九章：精致的瓷器不过，最让西方惊叹的中国技术是制瓷，足足领先了 1000 年，中国的英文译名就是瓷器的意思。瓷器与陶器相比
15、，硬度更高，孔洞更少，热胀冷缩也不怕，即便从白热状态（1350 摄氏度）直接放入水中，依然不会碎裂。拥有高超制瓷技术的中国，一直将白瓷作为“白金”出口到西方。与瓷器一起还伴生了饮茶文化，这也是中国文化向外传播的重要媒介。有道是各领风骚数百年，制瓷最牛的中国却一直没有发展出玻璃技术。没有玻璃窗户还是小事儿，用纸糊也能凑合着过；没有玻璃制作的望远镜与显微镜，中国人的世界观与科学精神就大受影响，直接导致中国缺席了引领世界走入近现代社会的工业革命。第十章：长生不死的植入物【材料决定人类文明】马克思曾说，人与动物最大的区别在于会使用工具。因此，工具发展史也就成了人类发展史的一个注脚。人类文明则先后经历了
16、旧石器时代、新石器时代、铜器时代（商周） 、铁器时代（战国至工业社会）直到现代社会更丰富多元的新材料时代。旧石器就是用现成的石头、骨头作工具；新石器则稍微把石头与骨头加工一下。铜器时代开始，则是因为自然界的铜资源熔点低，易于开发，但铜硬度不够，直到人类能够冶炼更高的温度，才开始有了更坚硬的铁器。铁+碳=钢，铁+铬=不锈钢。工业社会来临前，钢铁冶炼主要凭借经验，碳加多了会变脆，加少了则变软，因此造出好剑的概率很小，中国的干将、莫邪或日本的草薙才会名垂千古，希腊人则供奉赫菲斯托斯为奥林匹斯十二主神之一的铁匠之神（阿芙洛狄特，罗马人叫她维纳斯，是他的老婆） 。正是由于造出好钢的概率太小，一直以来男人
17、刮胡子都没有刀片可用，必须定期去理发店，师傅还要时不时用皮革打磨剃刀。其实，皮革是起不到磨刀作用的，关键在于皮革上面加了耐磨的瓷粉，这层瓷粉会改变剃刀刀锋的分子结构，让边缘的钢铁分子重新排列整齐，从而变得更锋利。直到 1903 年，美国人吉列实现了刀片量产，理发店的这项业务才渐渐消亡。从打磨剃刀这个例子也可看出，人类尺度上的现象对应着微观尺度上的结构。比如，纸很容易被弯折，在微观尺度上的分子结构也出现了变化，如果分子结构非常稳定，纸则会变成硬脆的玻璃，宁折不弯。【读后感】世界观层面，观察世界从此不再仅是从人的尺度，而是意识到了材料的性质取决于微观层面的原子、纳米、晶体、纤维、毛发等多个尺度，过去习以为常的东西今后再也不是路人，而是知根知底的熟人了。人生观层面，钟灵毓秀，人来自于动物，动物来自于植物，植物来自于矿物，人类站在生命形态的最顶端，其实不过是大自然的造物；反过来，随着智能材料的技术进步，人也开始造物，让一切皆有生命，让万物皆可与人互动，实现天人合一。价值观层面，钻石或元素周期表第 11 列的铜、银、金再也不像以往那么贵重了，无比廉价、充沛的氧与硅反而是现代社会必不可少的材料，把沙子或岩石变成计算机芯片或玻璃，才是更神奇的炼金术！
