您现在的位置是：网站首页>科普科普
《迷人的材料》探寻材料独特韵律，开启一场奇幻绮丽的物质世界之旅
铛铛铃2025-09-13【科普】530人已围观
简介
今天为你解读的书是《迷人的材料》。
人类的文明史就是一部材料变迁史。从旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代，直到今天的纳米材料时代。作为人类认识自然和改造自然的工具，材料支撑着文明的发展和技术的进步。这些材料是怎样出现在人类社会当中的，又对人类社会产生了怎样的影响呢？今天为你解读的这本《迷人的材料》，就讲述了改变世界的材料和它们背后的科学故事。
本书的作者马克·米奥多尼克，是英国伦敦大学学院材料科学教授，英国皇家工程学会会士，对材料科学有着独到的研究，乐于为大众讲解材料科学，曾担任BBC纪录片主持人。他写作的这本《迷人的材料》，在2014年获得英国皇家学会科学图书奖，并被评为亚马逊年度科学类选书和《物理世界》杂志最佳科普书。
接下来，我将从材料的应用场景出发，从建筑材料、生活用品以及未来科技这三个方面为您解读这本书。
首先，一起来说一说最能体现人类文明的建筑材料。建筑材料的发展改善了人类的居住环境，推进了城市化进程。这其中，混凝土、钢铁和玻璃功不可没。
混凝土是世界上用途最广的建筑材料之一，无论是高楼大厦还是道路桥梁，处处都能够看到它的影子。很多著名建筑，包括美国的胡佛水坝、法国的米约高架桥和英国格瑞夫里山立体交叉桥等等，都是钢筋混凝土的杰作。
为什么混凝土的应用如此广泛呢？这要从混凝土的特征说起。混凝土主要是由水泥、沙子和石子组成，这三样东西混合在一起之后，加上了水，就会引发连锁化学反应，形成复杂的微结构。这些微结构彼此之间强力连接，变成坚硬的固体。而且在这个过程当中，混凝土从液态变为固态，可以塑造成各种形状，让短时间内盖起庞大的建筑成为可能。在混凝土发明之前，巨型建筑往往需要几十年才能完成，比如中国的万里长城和欧洲的石造教堂等等。有了混凝土之后，高达309米的伦敦碎片大厦，主体结构只花了不到六个月就完成了。
在人类历史上，最早使用混凝土建材的是古罗马人。古罗马有一个名叫波佐利的地方，存在大量火山岩粉末成分，和现代的水泥成分类似。古罗马人只需要在火山岩粉末以及沙子的混合物当中掺进碎石子，就能够制造出混凝土。古罗马遗迹和考古发掘证明，当时的混凝土已经广泛应用到建筑当中。他们曾经使用混凝土打造了宏伟的罗马万神殿的穹顶。2000年来，这个伟大的建筑始终屹立不倒，至今仍然是世界上最大的无钢筋混凝土圆顶建筑。
但是遗憾的是，罗马帝国衰亡之后，混凝土技术也销声匿迹了。直到19世纪60年代后期，法国巴黎的园艺家莫尼耶在制造花盆的时候，偶然发现钢筋和混凝土的膨胀系数几乎相同，能够有效地解决混凝土脆性断裂的问题，这才使得混凝土技术重新回到人类视野，并且迅速传播。
随着科技的进步，混凝土材料也在升级换代，目前已经出现了自愈合混凝土和自洁净混凝土。自愈合混凝土是在普通混凝土当中添加一种名叫做巴氏芽孢杆菌的细菌，以及它们爱吃的淀粉。这些细菌平常啊，在睡大觉，当混凝土出现裂缝的时候，它们遇到水分就会从睡梦当中醒来，吃掉预先给它们准备的淀粉，然后呢，开始完成修补工的使命。它们分泌出一种叫做方解石的混凝土成分，能够和原来的混凝土紧密连接，把裂缝填满。经过杆菌处理之后的混凝土，强度可以恢复九成以上。另一种自洁净混凝土掺入了二氧化钛粒子，这些粒子非常小，而且呢是透明的，抹在混凝土表面几乎看不出来。但是二氧化钛粒子吸收了阳光当中的紫外线之后，就会产生自由基粒子，能够分解粘在他们身上的污垢，然后呢，被风或者是雨水带走。罗马的迁徙教堂就使用了这种自洁净混凝土。
混凝土要和钢铁组合在一起，才能有足够的韧性。接下来我们来说一说现代建筑当中同样不可缺少的材料——钢铁。钢铁不是纯铁，而是加了碳的铁，碳的比例决定了钢的特性。高碳钢硬度高，但是容易碎，低碳钢软却非常有韧性。最初掌握这种特性的是日本武士工匠，他们依靠经验就能够分辨出低碳钢和高碳钢。他们就用低碳钢来制作刀身，用高碳钢来制作刀锋，这样既能够保持刀的韧性，不至于折断，又能够确保刀的锋利，成为两全其美的武器。但是日本人的方法非常复杂，不能够用于批量制造。直到工业革命前，英国的一位名叫做贝塞麦的工程师发明了制造钢水的方法，才让钢实现工业量产。贝塞麦的方法非常简单，就是先获得纯铁，再掺进去一定比例的碳。怎么获得纯铁呢？把铁融化为铁水，再灌入空气，铁当中的碳就跟空气中的氧发生化学反应，变成二氧化碳气体，从而将铁水中的碳带走，获得纯铁水。这时候再掺入不同比例的碳，就能够得到不同硬度的钢铁。贝塞麦的发明拉开了波澜壮阔的机器时代，钢铁和混凝土搭配形成的钢筋混凝土，也让高楼大厦拔地而起。
除了钢铁和混凝土，玻璃也是常见的建筑材料。高楼大厦里明晃晃的玻璃透露着现代感。玻璃的主要成分是二氧化硅，和沙子的成分是一样的。确切的来说呢，经过高温变成液体的沙子，冷却之后就是玻璃。所以在沙漠当中经常会发现因闪电击中沙子而产生的玻璃。古埃及图坦卡蒙王木乃伊的装饰上就有这样一块沙漠玻璃。但是呢，靠这种小概率事件是没有办法大量生产玻璃的。让玻璃走进千家万户的是古罗马人，他们发现泡碱，也就是天然生成的碳酸钠，能够降低制作玻璃所需要的温度，这就降低了生产玻璃的难度。于是他们就开始大量制作玻璃，玻璃窗就是他们发明的。在古罗马发明玻璃之前，欧洲人的窗户都是直接开着的。窗户的英文“window”原本的意思呢，就是“风眼”。古罗马人把透明的玻璃用铅焊接到窗户上，用来挡风遮雨，开启了人类把玻璃用于建筑的热潮。古罗马人的玻璃工艺还应用于酒杯的生产，他们发现，固态玻璃只要加热到一定程度，就很容易塑形。用铁钳子夹着，就能够在玻璃冷却前拉出各种形状，甚至呢，能够在玻璃红热的时候吹气进去，冷却之后形成完美的气泡形状，最终做出精致的薄壁酒杯。
随着制作工艺的发展，玻璃的种类越来越丰富，不但改善了人类生活，还推动了科技进步。尤其是耐热玻璃出现以后，化学才真正成为了一门系统的科学。耐热玻璃是增加了氧化硼的玻璃，这种物质能够抑制热胀冷缩，让化学家可以对玻璃杯随意加热或者冷却，而不用担心破碎。说起这玻璃的破碎，就不能不提到强化玻璃，这是汽车工业的发明，目的是减少车祸时因玻璃碎片造成的死伤。这种能够救命的玻璃，最早起源于17世纪40年代的一个非常有名的珍宝，叫做鲁伯特之泪。这是一种泪滴形状的玻璃，是把高温的玻璃熔浆滴入水中形成的。它那圆滑的头部能够承受巨大的压力，甚至拿锤子猛敲也不会碎裂，但是尖尖的尾巴部分稍微用力，就会让整个鲁伯特之泪发生连锁反应，变成细小的碎片。这些碎片可能会划伤皮肤，但是呢，不会造成较大危险。鲁伯特之泪的特殊属性经过改良之后，就形成了今天的强化玻璃。强化玻璃的升级版就是防弹玻璃。防弹玻璃为什么能够防弹呢？主要是因为强化玻璃中间加了好几层塑料，子弹击中防弹玻璃的时候，最外层的玻璃会立刻碎裂，吸收掉子弹的部分能量，然后塑料夹层把冲击力分散到更大面积，从而减少伤害。玻璃和塑料夹层越多，防弹玻璃就能够吸收越多的能量。一道夹层能够阻挡住9mm口径手枪的子弹，八道夹层可以承受AK47步枪的攻击。
对人类来说，最有用的玻璃就是用来构建现代城市的玻璃，它们又平又厚，而且呢，完全透明，不但给房间带来更多的阳光，还让现代建筑显得富有科技感。
和玻璃类似，还有很多材料在生活当中默默地发挥着功效，为人类提供便利，改善生活质量。接下来，我们来说的第二个重点内容——那些在生活里的常见材料。
先来说一说塑料。塑料在生活当中非常常见，快餐盒、塑料袋、塑料水杯等等。其实啊，塑料是一个统称，包括很多种材料，橡胶、尼龙、亚克力都是塑料。人类历史上最早用于商业的塑料叫塞露洛，这种塑料的发明动机非常单纯，就是为了1万美元的奖金。19世纪的欧洲台球，是人们非常喜爱的一项娱乐活动，但是球的制作呢，是一个大问题，既要足够硬，能够承受几千次高速撞击而不会凹陷或者破裂，同时啊，还要有一定的韧性，在相互碰撞之后反弹。在塞洛洛发明之前，主要是用象牙来做球，造价十分昂贵。为了解决这个问题，1860年，一位美国工厂主开出1万美元的高额奖金，征集台球改良方法。一个名叫做海厄特的报社印刷工，闲暇时啊，喜欢做一些化学实验。在1869年，他用纤维素、二硝酸酯、植物提取物、樟脑以及乙醇的混合，做成了象牙台球的替代品，这种材料被称为塞露洛。由于赛璐洛能够惟妙惟肖地做出象牙、檀木、珍珠等高级材料的质感，极大地满足了新兴中产阶级的享受欲望。同时，用赛璐璐做成胶片形状的袋子，再涂上一层感官薄膜，就成为了电影胶片，是拍摄和放映电影的理想材料，推动了电影行业的发展。总的来说，19世纪80年代，作为当时唯一的塑料材料，塞洛洛产业突飞猛进。之后，塑料家族又出现了尼龙、黑胶和硅胶等材料，塑料在更大范围内改变了我们的生活。莱卡和聚氯乙烯等材料的圆滑柔顺，攻占了时装业，取代真丝成为女性袜子的材质。黑胶改变了我们录制和聆听音乐的方式，硅胶则广泛用于整形外科，让丰胸和隆鼻从梦想变成现实。
相比于塑料、玻璃和钢铁，陶瓷的历史更久远。远古的人类把粘土放入火中，发现粘土不止会变干，还会变成跟石头一样坚硬的新物质，可以做成储藏谷物和水的容器，这就是最早的陶器。虽然说能够贮存食物，但是呢，很容易破裂。2000年前，中国东汉时期的工匠们在改善陶器工艺时，发现一种叫做高岭土的白色矿物质，加热之后会变得完全光滑，还不容易产生裂痕，这就是瓷器。瓷器结合了强韧、轻盈、优雅和无比光滑等特质，很快成为了财富和高雅品位的象征，变成了中国的代名词。许多欧洲人都想自制陶瓷，但是呢，始终没有找到方法，即便是派人到中国刺探，也没有发现其中的秘密。18世纪初期，萨克森国王奥古斯特二世对中国的瓷器非常痴迷，他曾经用600名强壮的士兵来交换127件中国瓷器。为了能够自己制造瓷器，奥古斯特二世命令炼金术士贝特格研究陶瓷的烧制方法，研制不出来就要被杀头。压力之下的贝特格无意当中发现了高岭土，终于破解了中国人保守千年的秘密。在1708年1月15日这一天，烧出了真正的白瓷。后来这一天被认为是欧洲瓷器的诞生日。从此以后欧洲的瓷器开始崛起。
纸和瓷器同样具有悠久的历史，但是呢，应用范围更加广泛，以书籍、报纸、卫生纸、包装纸以及钞票等形式包围了我们的生活。我们在日常生活当中会发现一个现象，报纸受到光照之后会迅速发黄，这是为什么呢？主要有两个原因，一是由于造纸设备低劣，在制作木浆的过程当中，一种被称作木质素的物质没有被完全清除掉，这种物质遇到光线，就会和氧气发生化学反应，形成有颜色的物质，让纸发黄。另一个原因是，以前的人会在纸上涂抹一层硫酸铝，让纸张变得更加光滑。硫酸铝这种物质虽然能够让纸张光滑，但是呢，在造纸过程当中会形成酸性环境，导致纸纤维和氢离子发生化学反应，使得纸张发黄，同时呢，还让纸张变得更加脆弱。19~20世纪，西方很多书就是用这种酸纸做成的。
其实啊，说起纸张来，最具有诱惑的纸张形式是钞票。为了防止伪造，钞票的材料用的不是一般用纸的木质纤维素，而是纯棉。人民币纸张的主要成分呢，就是短棉绒。纯棉做成的钞票质感很独特，除了能够让钞票更加的强韧，不怕水泡或者是折叠之外，自动取款机会侦测这种独特的质感，增强防伪性。除此之外呢，用碘笔在钞票上写字，同样也能够验证出真假。碘笔在普通纸上写字的时候，碘元素会和纤维素里的淀粉发生作用，形成色素而变黑，而钞票里边呢，没有木质纤维素这种东西，所以不会变色。钞票还有一种防伪绝活儿，那就是水印。水印是嵌在钞票里面的图案，只有透过光才能够看见。虽然说叫做水印，但是呢，它既不是水渍，也不是墨痕，而是稍微改变了棉的密度，使得透过的光线不同，形成特殊的图案。
材料不仅大大改善了我们的生活质量，还推动了科技日新月异的发展。接下来，我们来说一说第三个重点内容——引领人类未来发展的高科技材料。
首先，咱们一起来看一看世界上最轻的固体、最好的绝缘——气凝胶。这种由二氧化硅做成的新材料，密度仅为空气的2.75倍，看上去啊，像凝固的烟。由于气凝胶当中80%以上是空气，所以呢，有着非常好的隔热效果。一寸厚的气凝胶，相当于20~30块普通玻璃的隔热功能。打一个比方来说吧，即使是拿着一朵娇艳的玫瑰靠近火焰，只要这当中有气凝胶隔着，玫瑰也会毫发无损。二氧化硅气凝胶不仅是世界上最好的绝缘体，还非常的轻盈，适用于摆脱地球引力、进入太空的航天器。1997年，气凝胶首先使用在火星探路者号上，此后便成为宇宙飞船的标准绝热材料。美国国家航空航天局的科学家还利用气凝胶捕捉太空物质。1992年2月7日，美国星辰号宇宙飞船就采用了一个很像巨型网球拍的工具，上边啊，是涂满了气凝胶，用来收集彗星释放出来的尘埃，来研究星体和彗星的构成元素。现在，研发新式气凝胶的速度正逐渐加快，比如有人开发了一种名叫做X气凝胶的材料，可以做成世界上最轻暖的毯子，取代羽绒被和睡袋之类的产品。还有人开发出可导电的碳气凝胶，能够吸收有毒气体的气凝胶等等。
另外一种属于未来科技的材料就是碳。纯碳主要有两种形式，钻石和石墨。对于钻石我们并不陌生，钻石的硬度极高，几乎不会被任何东西刮伤，可以永远保持切面完整。钻石的英文“diamond”源自古希腊文，不可改变、不会碎裂的意思。但是钻石真的是不可改变的吗？自然不会，钻石最终都会变成石墨，只是这其中的变化需要花几十亿年才能看到。如果说人工干预的话，这个时间会大幅缩减。1772年，化学之父拉瓦锡在实验当中发现，把钻石持续加热到燃烧状态，最后呢，什么都没留下，钻石仿佛彻底消失了。拉瓦锡接下来又在真空当中加热钻石，不让空气参与化学反应，结果呢，是让拉瓦锡瞠目结舌，钻石这回没有消失，而是变成了石墨。这充分证明了，钻石和石墨由同一种物质组成，也就是碳。
其实我们对石墨更熟悉，比如写字用的铅笔芯儿，就是用石墨做成的。但是呢，石墨这种材料啊，还有着更为令人惊叹的用处，堪称是未来科技的代名词。首先就是更轻更强的碳纤维，把石墨纺成细丝，再用细丝织成布料，就是碳纤维。它的质量比金属铝轻，但是呢，强度却高于钢铁，并且呢，具有耐腐蚀的特性。于是碳纤维取代了铝，成为制造飞机的材料，还取代了传统材质的球拍，大幅提升了球拍的性能。
石墨还能够化身为石墨烯，石墨烯呢，是构成石墨的基本单位，厚度只有一个原子，这是世界上最纤薄、最强韧和最坚硬的物质，导热速度比目前已知的所有材料都快，也比其他物质电阻更小、导电更快。这表示石墨烯很有潜力成为迷你发电厂，取代硅芯片，成为所有数字运算和通信的核心。
用材料的眼光看世界，原来我们平日里习以为常的每一样物品，都隐藏着丰富的故事。这本书是一部材料科学的赞歌，材料在服务人类的同时，也在重塑我们对世界的认知。
好，《迷人的材料》这本书就为你解读到这儿。听书笔记在音频下方，我们明天见。
"感谢喜欢，赞赏支持是对我的鼓励。"
很赞哦！ (0)
