马克·米奥多尼克 - 科学科技榜-科普
从茶杯、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？水泥也能做成衣服？世界上最薄却最坚硬的东西是什么？为什么某一种材料做成的东西会长那样？材料如何塑造了我们的世界又对我们的生活产生了怎样的影响？世界顶级材料学大师带你用材料科学家的眼睛，以全新的方式看待你身边的每一样东西：钢、纸、混凝土、巧克力、塑料、玻璃、瓷器……本书以渊博的知识和极富感染力的文字写就。它不仅揭露了各种物质背后的神奇结构，还告诉我们隐藏在其背后的精采故事。每一章介绍一种材料，辅以照片和手绘图，极富可读性和趣味性。
迷人的材料作者：[英]马克·米奥多尼克（Mark Miodownik） c:15
我心中的难堪压过了应有的常识。因此我非但没有呼救，反而决定最好闷不吭声坐车回家。这么做很怪，但我就是那样做了。 c:58
我们或许自认为文明，但文明绝大多数得归功于丰饶的物质。少了物质材料，我们可能很快就得和其他动物一样为了生存而搏斗。因此从这个角度看，是衣服、住宅、城市和各式各样的“东西”让我们成为人（只要去过灾区就知道我在说什么），而我们用习俗和语言让它们具有生命。 c:498
布莱恩发现我是科学家后，立刻猜到我应该会对他20世纪70年代在伦敦的经历感兴趣。他在伦敦销售英特尔4004芯片，正好赶上当时的计算机热潮。他以每箱一英镑的价格进了一万两千箱芯片，再以十倍价格小批卖给相关产业。 c:26
我在满是涂鸦的厕所隔间墙上签了保密条款。布莱恩也签了字，然后把钞票给我，那张纸就成了有效力的正式文件了。 c:32
“怎么样？”他问，然后骄傲地灌了一大口啤酒。 c:11
金属可以锻造——加热后会流动且有可塑性。不仅如此，金属还越敲越强韧，光靠打铁就能使刀刃更硬，而且只要把金属放入火中加热，就能反转整个过程，让金属变软。 c:223
纯氧化铝晶体是透明的，但只要其中含有铁原子就会变成蓝色，也就成为俗称的蓝宝石。同理，纯氧化铝晶体包含了铬原子也会变色，成为红宝石。 c:566
让人很容易忘记在人类历史上大多数的时候，纸都是稀有的奢侈品 c:13
虽然一直有人提倡无纸运动，可是从来没有形成风潮，而只要我们还信赖纸张，拿它来储藏信息，无纸环境就没有实现的一天。 c:56
大多数的纸张都来自于树木。树能昂扬挺立，靠的是纤维素，这是用显微镜才看得见的细小纤维。纤维素凭借称为木质素的有机黏着剂相互接合，形成极为坚硬强韧的复合体，可以留存数百年。要把木质素去除，萃取出纤维素并不容易，感觉很像拔掉粘在头发上的口香糖。这个程序称为“去木质素”，是把木材压成碎片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，释出纤维素。这程序一旦完成，剩下的纤维就称为木浆，也就是液态木材，在显微镜底下看起来，有点像泡在稀薄酱料里的意大利面。把木浆放在平坦的表面上晾干，就会得到纸张。初步完成的纸是棕色的，而且非常粗糙。要让它变得白皙光滑，我们需要使用化学漂白剂，并加入细致的白粉，例如称为白垩的碳酸钙。接着还要加上其他涂料，以防墨水一沾到纸就渗进纤维里晕开。理想的结果是，墨水应该在稍微渗入纸面后随即干涸，让有色分子固定在笔记纸的纤维网络里，留下永久的痕迹。 c:185
纸放久了会变黄有两个原因。如果是用廉价的低阶机械纸浆制成的纸，里头仍带有一些木质素。木质素遇到光会和氧发生化学作用，形成发色基，也就是颜色载体，只要浓度增加就会让纸发黄。这种纸通常用来制造廉价的抛弃式纸制品，报纸受光照射后会迅速泛黄就是这个道理。 c:502
纸有非常适合凹折与弯曲的力学构造。大力折纸会让该部位的纤维素纤维断裂，产生永久的弯折，但仍有足够的纤维没有受损，使得纸张不至于撕开或断裂。 c:205
这是因为感热纸上的字不是用墨水印出，而是由纸上预涂的酸剂和“无色”染料作用得来的，只要纸张受热，酸和无色染料就会发生反应，使染料变黑。有了这项精巧的纸张设计，机器就永远不会断墨。 c:283
纸的硬度取决于“上浆”，也就是高岭土或碳酸钙之类的细粉添加物。这些添加物有许多功能，包括降低纸张的吸水力，让墨水在表面干涸而非渗入纤维，以及用来调节纸的洁白度。添加物和让添加物固着在纤维上的黏合剂会形成所谓的“复合材料基质”，控制这个基质就可以决定纸的重量、强度与硬度。 c:114
纸的硬度取决于“上浆”，也就是高岭土或碳酸钙之类的细粉添加物。这些添加物有许多功能，包括降低纸张的吸水力，让墨水在表面干涸而非渗入纤维，以及用来调节纸的洁白度。 c:216
为了防止伪造，纸钞有几项绝活。首先，它使用的材料和一般用纸不同，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。清脆声是纸钞最明显的特征之一。 c:218
写信是文字的沟通，却又超越文字本身。它给人一种永恒与实在，足以抚慰不安的灵魂。信可以一读再读，而且实实在在占去你生活的时间与空间。信纸就像爱人的皮肤，散发着爱人的芬芳，而爱人的字就像指纹，呈现了独一无二的她。情书不能造假，也无法剪下和贴上。 c:97
情书唯有独处时才能写，而纸又为爱意添加了感官色彩，因为书写本身就是一种碰触、宣泄与倾吐，是窃窃私语，是絮语呢喃，是摆脱了键盘字体的个人表达。墨水化为热血，要求吐露与倾诉，让思绪奔流挥洒在纸上。 c:44
我突然有点担心，是我老了，还是现在拆房子的效率超高？无论如何，我的自信心都受到了打击，觉得自己没那么厉害了。我一向喜欢南华克大楼，那个年代有自动门可是新潮得很。如今它消失了，在街上留了一个洞，也在我生命里开了一个口子，伤口比我想的还要大。一切感觉都不一样了。 c:46
我又气又怕。万一这根玻璃大阳具变成恐怖分子的目标怎么办？ c:12
但他们掘出来的是黏土，是泰晤士河数十万年来留下的淤泥。这些黏土曾经用来制砖、兴建房子和仓库，伦敦就是靠这些淤泥做成的一砖一瓦盖起来的。 c:23
跟他说“混凝土永远不会干，因为水是混凝土的一部分”，他和他的狗会有什么反应。混凝土凝固时会和水作用，引发连锁化学反应，在混凝土内部形成复杂的微结构，因此就算里头锁住了许多水分，混凝土的外表不仅看起来干燥，而且实际上还能防水。 c:247
“塑性断裂”，例如把口香糖拉断就是这样。材料受拉扯后会产生晶格重排而导致延展，使得中间越来越细，最后一分为二。绝大多数金属都可以用这种方法弄断，但因为必须移动许多位错，所以要非常费力才能做到，这也是金属的强度和韧度都高的原因 c:209
自愈合混凝土就含有这种杆菌，并掺入杆菌会吃的某种淀粉。这些杆菌平常处于蛰伏状态，被含水硅酸钙原纤维包围。但当混凝土出现裂隙时，这些杆菌就会重获自由，遇到水便会醒来，开始寻找食物。它们吃掉混凝土里的淀粉后就会生长与繁殖，并分泌方解石。方解石是碳酸钙的一种，和混凝土键结后会形成矿物构造，把裂隙填满，使裂隙不再扩大。 c:145
二氧化钛不只能清洁混凝土，还可以充当触媒转换器，减少空气中的氮氧化物，而这些氮氧化物是由车辆排放出来的。不少研究证实了这项功效，也使得都市里的建筑与道路在未来可以扮演更积极的角色：跟植物一样来净化空气。 c:57
这些“智慧型”混凝土掺了细菌，能盖出会呼吸的活建筑，彻底改写我们跟这种基础建材的关系。 c:21
尽量忍耐，如此才能感受到接下来的变化：硬块在舌头的热度降伏下，突然变软。巧克力熔化后，你感觉舌头变凉了，甜中带苦的滋味霎时涨满口中，接着是果香和坚果味，最后会在喉间留下淡淡的土味。在那瞬间，你完全沉浸其中无 c:66
黑巧克力通常含有50%的可可脂和20%的可可粉（包装上会标示为“70%”黑巧克力），剩下的几乎都是糖。 c:127
另一种有精神作用的物质是可可碱，和咖啡因一样是兴奋剂兼抗氧化剂，但对狗来说是剧毒。每年都有许多狗误食巧克力而丧命，尤其是在复活节和圣诞假期。 c:194
我觉得巧克力就像一首诗，跟十四行诗一样复杂与美好。这就是为什么古希腊人会称它为theobroma，因为巧克力确实恰如其名，theobroma的意思就是“神吃的食物”。 c:62
这个现象称为瑞利散射，这个散射的量非常小，必须聚积大量气体才看得见。因此在天空中可以看见这个现象，而只靠房间里的空气则不行。换句话说，一小块天空不会呈现蓝色，整个大气层才会。不过，当少量空气被透明物质封住，而这个物质又有数以百亿计的微小表面，那么透明物质内部的瑞利散射量，就足以改变入射光的颜色。二氧化硅气凝胶的结构正是如此，所以才会呈蓝色。手里拿着一块气凝胶，其实就等于握着一大片天空。 c:264
象牙的性质非常特别：它硬得能承受几千次高速撞击而不会凹陷或剥裂，并强韧得不会碎裂，又可以用机器刨成球形，而且跟其他有机材质一样可以染色。当时没有其他材料能兼顾这些特性 c:105
硝化甘油是甘油硝化而成的，它是无色的油状液体，也是制造肥皂的副产品，只要混合甘油和硝酸就能制成。不过如您所言，硝化甘油极不稳定，是炸药的主要成分。但我手上这个东西是硝化纤维素，成分为木浆和硝酸，干燥后就会变成棉火药。棉火药非常易燃，这我承认，但不会爆炸 c:66
但我用了新的制程，如此一来做台球就不需要木球了。我可以只用硝化纤维素就做出一整颗球，只要掺入含有樟脑的溶剂就搞定了。 c:38
它是纤维素（cellulose）做的，所以我想叫它赛璐珞（Celluloid），您觉得呢？ c:54
德国解剖学家冯·哈根斯（Gunther von Hagens）发明了一项新的保存技术，称为生物塑化法，能把尸体内的水分和脂肪移除，再以真空技术置入硅胶和环氧树脂取代。环氧树脂大量使用在涂料、黏着剂和可塑产品里。生物塑化法跟福尔马林一样，能让遗体栩栩如生，但由于使用可定型的塑化材料，因此能把尸体做成各种姿势。 c:79
虽然在赛璐珞发明之前就有类似塑料的材料问世，但一般公认赛璐珞是最早的商业塑料材料。在1862年的国际博览会上，英国冶金家、化学家兼发明家帕克斯向世人介绍了一种很有趣的新材质。它的成分为植物质，但非常坚硬而透明，且具有可塑性。帕克斯虽然一直认为火棉胶可以制成塑料，但始终没能找到合适的溶剂把硝化纤维素转成具有可塑性的材料。 c:31
赛璐珞产业在19世纪70年代突飞猛进，各种颜色、形状和质感的产品五花八门。重点是它能惟妙惟肖地做出高级材料的质感，例如象牙、檀木、珍珠母和玳瑁，而早期的塑料也多半作此用途。新兴的中产阶级渴望拥有富人的物质享受，却又负担不起。由于塑料造价便宜，因此贩卖塑料梳子、项链和珍珠给这些中产阶级，可以赚取丰厚的利润。 c:38
要到20世纪，丙烯酸塑料问世后，配戴假牙才比较舒服、无味，感觉也比较自然。 c:17
伊士曼设计了赛璐珞软片以取代玻璃制的硬片，是他发明的柯达轻便相机能掀起摄影革命的关键。他把玻璃制的照相底片换成赛璐珞制的弹性胶卷，可以卷曲收纳，让相机变得小巧轻盈，而且便宜。他让所有人都能接触摄影，并且凭着让相机变得便宜、好带又能随兴使用，创造了以照片分享家人回忆的生活方式。 c:93
赛璐珞促成了胶卷的发明，胶卷则催生了电影科技。 c:49
塑料家族在赛璐珞之后又出现了电木、尼龙、黑胶和硅胶。这都有赖于赛璐珞带来的创造力，而塑料也对我们的文化产生了深远的冲击。电木成为可以塑形的木头替代品。当时电话、电视和收音机刚刚发明，正需要新材质来展现这些发明的摩登感。尼龙的圆滑柔顺攻占了时装业，取代真丝成为女性袜子的材质，而且衍生出一系列全新织料，像是莱卡和聚氯乙烯，以及一群称为“弹性体”的材质，让我们的衣服和裤子不会松垮或松脱。黑胶改变了音乐，也改变了我们录制和聆听音乐的方式，更创造了摇滚明星。至于硅胶嘛……硅胶开创了整形外科，让人得以把想象变为现实。 c:78
我不停瞥见成排低矮的橄榄树排成完美的直线，有如陈年默片从我眼前闪过，感觉就像那些古老的橄榄树对我施了魔法，让我忘记旅途的无聊与闷热 c:14
液态二氧化硅冷却时很难再形成结晶，感觉就像二氧化硅忘了怎么变为结晶似的：哪个原子该在哪里，谁该排在谁的旁边，对这些原子来说似乎都变成了难题。加上二氧化硅液体冷却时，原子能量越来越少，越来越难移动，使得情况更是雪上加霜，原子更难回到组成结晶的正确位置，结果就是生成具有液态结构的二氧化硅固体，也就是玻璃。 c:156
由于利比亚沙漠在2600万年前没有核爆，而生成如此纯净的玻璃需要极高的温度，因此目前认为应该是陨石撞击产生的巨大能量所致。 c:30
玻璃里的量子排列方式与众不同，使得移动到空位的能量高于可见光，因此可见光无法让电子升等座位，于是能直接穿过原子。这就是玻璃透明的原因。然而，紫外线之类的高能光就能让电子升等，因此无法穿透玻璃。这就是为什么玻璃能防晒，因为紫外线根本无法穿透玻璃碰到我们。而木头和石块之类的不透明材质，拥有大量的便宜座位，因此可见光和紫外线都很容易被吸收。 c:305
石墨烯是一种二维石墨，也是材料世界的惊奇之作。 c:26
1967年，人类发现碳原子还有第三种排列方式，能形成比钻石还坚硬的物质。这个物质名叫六方晶系陨石钻石，结构以石墨的六角形平面为基础，只是改为立体构造，据称硬度比钻石高出58%，但由于数量太少，所以很难测试。最早的样本是在美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷（Canyon Diablo）的陨石上发现的，高热和巨大的撞击力把石墨变成了六方晶系陨石钻石。 c:157
纳米碳管很像迷你的碳纤维，只少了微弱的范德华力。科学家发现它是地球上强度重量比最高的物质 c:27
石墨烯是世界上最纤薄、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，也比其他物质更能载电，导电更快、电阻更小。 c:68
石墨烯也许比钻石更有用处，但它不会熠熠生辉，它薄得几乎看不见，而且只有二维平面，这些都不是世人眼中真爱的特质。因此，我认为除非哪天营销公司看上石墨烯，否则立方晶体结构的碳依然会是女人最好的朋友。 c:20
金属外表光滑明亮，很容易判断干不干净，毕竟这些餐具之前曾经放进别人嘴里。不过金属导热太快，无法用来喝热饮，而且声音又大又吵，有损红茶的优雅形象。 c:15
烤箱应该是陶瓷最自在的环境呀，毕竟它们就是在窑里制造的，但陶瓦锅还是一直表现欠佳。原因是汤汁会渗入细孔里，受热后变成气体把细孔炸成微小的裂缝，然后像小溪汇流成河一样，跟其他裂缝串联成大裂缝，最后在陶瓦锅表面裂开，不仅毁了锅子，也往往毁了那道菜。 c:102
从此之后，欧洲各地的科学家和陶匠都开始拼命实验，希望能找出制造瓷器的秘诀。虽然间谍密探满天飞，英国还是花了五十年才用本地原料做出瓷器，并命名为“骨瓷”。 c:48
轻弹茶杯倾听声音，是最清楚而确定的方法，来确认杯子是否完全成形。只要杯子内部稍有瑕疵，有孔隙在白热状态时没有由玻璃浆填满，声响就会有部分被吸收，无法发出清脆的回音，听起来会闷闷的，而完全致密的茶杯则是余音绕梁。 c:80
这只米奥多尼克家仅存的婚礼瓷杯，我知道天天用它终究会害它丧命。每注入一次红茶，水温就会在杯子内部造成应力，拉大裂隙，而茶的重量则会让更多原子键断裂。裂隙会缓缓变长，有如蛰伏在杯里的小虫向外蚕食，最终让瓷杯四分五裂。 c:64
医生说骨骼中央是柔软的内里，外头包着一层硬壳，跟树有点像。在肉眼无法见到的微观层次上，骨骼内里是网状多孔组织，让骨内细胞可以自由活动，不停分解和重塑骨骼。因此骨骼和肌肉一样，会因为使用程度而增强或变弱，依人体各种活动（如跑步或跳跃，但最主要是承受人体重量）带来的压力而增长。 c:86
古埃及人用亚麻和制作木乃伊的技术来固定断腿，古希腊人用布料、树皮、石蜡和蜂蜜来处理，但我用的却是熟石膏，这是来自19世纪土耳其人的发明。熟石膏是石膏脱水而成的陶土，跟水泥一样掺水后会硬化。但熟石膏非常易碎，无法单独使用，用个几天就会碎裂。不过只要加上绷带，绷带的棉质纤维会强化石膏，阻止裂隙蔓延，熟石膏就会强韧许多，可以包扎断腿长达数周。 c:50
后四次用复合树脂。复合树脂由硅石粉末和强韧的透明塑料混合而成，坚硬耐磨，而且颜色比汞齐更接近牙齿的原色。和汞齐一样，复合树脂也是在液态时灌入蛀孔，但灌入后需要用紫外线照射，启动树脂内的化学反应，让树脂瞬间硬化。除了补牙之外，现代人还可以选择拔掉蛀牙换成瓷牙或氧化锆牙。这两种材质通常比复合树脂更耐磨，颜色也更像牙齿。要不是这些生物医用材料，我现在可能没剩几颗牙了。 c:64
韧带是人体的橡皮筋。肌肉、韧带和联结肌肉与骨骼的肌腱，这三样东西负责联结关节，让人体可以自由动作。骨骼之间由韧带联结，韧带有黏弹性，亦即它能瞬间拉长和弹回，但只要拉长不动一段时间就会变长。这就是运动员常做伸展运动的原因，他们希望拉长韧带，让关节更有弹性。韧带虽然对关节如此重要，却没有血液补给，因此只要断裂就几乎无法复原。 c:81
人体对置入体内的物质非常敏感，绝大多数都会发生排斥，而钛是少数能被接受的材质。并且钛还会产生骨整合，跟骨骼紧密键结，对于连接大腿后肌和骨骼非常有用，形成的密合不会因为时间久了而弱化或松弛。 c:150
所谓的关节炎其实就是软骨受损，而软骨一旦受损就不可能复原。 c:79
软骨是复杂的活体组织，它的内骨架和凝胶一样由纤维组成，主要成分是胶原蛋白。胶原蛋白是明胶的分子亲戚，也是人体内最普遍的蛋白质，能让肌肤和其他组织维持紧实弹性，因此除皱乳霜才会经常强调含有胶原蛋白。但和凝胶不同，胶原蛋白的骨架里有活细胞，负责制造和维持骨架。 c:97
3D打印机是一种全新的制造技术，可以使用数字信息制造出完整的物品。它的原理跟一般打印机类似，只不过打印头射出的不是墨点，而是材料微粒，一次射出一层，逐层把物品制造出来。这项技术目前不仅能打印杯子和瓶罐之类的简单物品，还能打印带有可动部位的复杂物品，例如轴承和马达。可以使用这项技术的材料现在有一百种，包括金属、玻璃和塑料。 c:76
3D打印应该会在人工器官制造技术上扮演重要角色。目前3D打印已经广泛用于制造植牙，并于2012年为一位83岁的老妇人制作了一副人工下颚。虽然这副颚骨由钛制成，不过打印支架材料再植入细胞，让细胞长成病人自己的骨骼，很快就会变为可能。 c:26
老化不是由于细胞老了，而是因为制造细胞的系统退化了。老化就像以讹传讹，下一代细胞无法重建上一代遗传下来的结构，使得错误和瑕疵有机可乘。 c:84
这个涵盖一切的概念是：就算某种材料看起来只有一种颜色，摸起来只有一种感觉，就算它外表只有一个模样，那也是幻觉。任何材料其实都是由许多不同实体组成的，而这些实体会在不同尺度上展现。就像俄罗斯套娃一样，材料的结构都是一层套着一层，几乎每一层肉眼都看不见，每一层都比外层小，并紧密贴着外面那层。这个多层结构不仅让某种材料成为某种材料，也让我们成为我们。 c:129
由一百个左右的原子堆叠而成的骨架就叫纳米结构。1纳米是十亿分之一米，属于这个尺度的物体叫大分子，也就是由数十到数百个原子组成的较大结构 c:175
最后是人的尺度。这个尺度是之前所有结构的集大成者，我们握在手上、放进嘴里或位于我们体内的东西都属于此类。 c:23
象不但大又有生命，且复杂到无法用理论描述。然而，第228页的尺度表告诉我们，生命体在概念上其实和无生命体没有区别。两者最大的差异在于生命体内部各尺度的联结更深，不同尺度会彼此沟通，主动组织 c:158