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文章来源：非常科学 材料科学与工程
一个世界级的材料学家，并写出了一本畅销全球的科普书。他就是——
马克·米奥多尼克
马克·米奥多尼克Mark Miodownik：伦敦大学学院材料科学教授，英国皇家工程学会会士，《泰晤士报》评选的「英国百大影响力科学家」。 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。他在伦敦大学学院有一个材料馆，收藏了世界上最神奇的一些物质。
迷人的材料
——10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事
开本：16开（170*240）
页数：244页
书号：978-7-5502-5761-0
上市时间：2015年9月
近日，2015年美国科学、工程和医学院传播类最佳图书奖揭晓，《迷人的材料》一书摘得桂冠。
而这并非该书首次问鼎科普类图书，2014年，《迷人的材料》便荣获英国皇家学会最佳科学图书奖，获得此奖的作者还包括斯蒂芬·霍金和比尔·布莱森。
此外，这本书也是Amazon 2014年度科学类选书以及《纽约时报》2014年最值得阅读的一百本书之一。
目前，《迷人的材料》在全世界已有15种语言版本。中文版本经由未读引进已于2015年9月上市。
在《迷人的材料》的开始，米奥多尼克拿出了一张他在自家天台上喝茶的照片，这张再普通不过的照片，在材料学家的眼中就是一份材料型录，米奥多尼克从中挑了10种，用它们来向我们讲述材料的故事，这10种材料是：钢、纸、混凝土、巧克力、气凝胶、塑料、玻璃、碳材料、瓷器和人体植入物。他挖掘了这10种材料的发明动机，探索了其背后的材料科学之谜，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
现在，让我们跟随世界材料学大师的眼睛，来一窥材料世界的神奇吧。
1
材料名称
钢
感官感受坚硬、坚韧、不屈不挠
代表事物
剃须刀片、餐具、武器
发明历史
钢是种很晚熟的材料。虽然锻铁这门技术已经代代相传了数千年，但即使在19世纪，人类对天文、物理和化学已经有了惊人的理解，工业革命所仰赖的铸铁和炼钢还是全靠经验、直觉和运气。这是因为当时人们还无法精确掌握铁里面的含碳量，铁的含碳量只有在大约百分之一的范围内才能成为钢，含量太低则太软，含量太高则太脆。直到19世纪中叶之后英国人贝塞麦发明了贝氏炼钢法，人们才能大量制造合格的钢材。
▲日本三神器之一的天丛云剑（草薙剑）。
15世纪时，日本武士制作的钢刃已经独步全球，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。
制造工艺
贝塞麦炼钢法
贝塞麦法非常简单，简直天才到了极点。他把空气灌入熔铁，让空气中的氧和铁里的碳发生化学反应形成二氧化碳，以此把碳带走，然后再把百分之一的碳掺回铁里。这套方法直截了当又可以工业量产，使得炼钢头一次成为科学事业。
▲1903年，美国商人吉列决定采用贝塞麦法制造的廉价工业用钢来制作抛弃式刀刃，第一年他卖出了51把剃须刀和168枚刀片；1915年，售出的刀片超过七千万枚。
材料知识
曲别针为什么会弯曲？
金属由晶体组成，虽然它们不像钻石一样透明。不要奇怪，因为金属的晶体特质从表面看不到，而且晶体构造非常小。使用电子显微镜观察金属晶体，感觉就像看到铺得毫无章法的地砖，晶体内则是驳杂的线条，称为“位错”。位错是金属晶体内部的瑕疵，表示原子偏离了原本完美的构造，是不该存在的原子断裂。位错听起来很糟，其实大有用处。金属之所以能成为制作工具、切割器和刀刃的好材料，就是因为位错，因为它能让金属改变形状。
▲位错示意图。一般金属内的位错数量惊人，而且会重叠交错
当你拗曲别针时，就是把金属晶体弄弯。金属的可塑性来自位错在晶体内的移动。位错移动会带着微量的这种物质，以超音速从晶体的一侧移向另一侧。虽然每个位错只移动一小块晶体（相当于一个原子面），但已经足以让晶体成为超级可塑性的物质，而非易碎的岩石了。
材料故事
误打误撞不锈钢
一战期间，英国人布雷尔利受雇钻研合金，以便改良枪管。他把不同的元素掺入钢里来模铸枪管，再用机械测试硬度，但尝试了无数次都毫无进展。新铸的枪管如果不够硬，他就扔到角落。有一天，他突然发现那堆生锈的枪管里有东西在闪闪发亮，他敏锐地意识到了它的重要性。那块东西正是世界上第一块不锈钢。
布雷尔利掺入的两种成分是碳和铬，因为比例刚好，意外创造出非常特别的晶体结构，让碳原子和铬原子同时嵌入铁晶体内。钢接触到空气和水时形成氧化铁，即铁锈。铁锈剥落后，新的钢面又会受空气和水侵蚀，使得生锈成为钢铁的痼疾。但铬能解决这一问题，当氧气还没来得及碰到铁原子，铬就抢着先跟它反应形成氧化铬。氧化铬是透明坚硬的矿物质，对铁的附着力极强。所以它不会剥落，从外表又看不见，有如一道隐形的化学保护膜把钢铁完全包住，而且这层膜会自我修复，即使表面磨到了，它也会自行复原。
不锈钢表面干净光亮似乎永不褪色，感觉坚不可摧却又非常亲民，短短一百年，从厨房水槽到餐具，从剃须刀片到艺术作品，它的身影已经遍布我们周围。
▲英国雕塑家安尼施·卡普尔（Anish Kapoor）在芝加哥千禧公园的作品“云门” 是不锈钢材料的绝佳例子。不锈钢反映了我们对现代生活的感受：利落明快，对抗肮脏、污秽与混乱。它还反映出，我们如它一般坚强不屈。
2
材料名称
混凝土
感官感受牢靠的、基础的
代表事物
楼房、桥梁
发明历史
可能出乎你的意料，混凝土的问世时间比你想象得更早，早在古罗马时代，古罗马人就用混凝土的前身打造他们的帝国了，只是古罗马人制造水泥用的是一种跟现代水泥的成分很类似的火山灰。而我们现在所见的钢筋混凝土是工业革命兴起时出现的。
▲古罗马最宏伟的混凝土工程：罗马万神殿穹顶。它完工两千年来始终屹立不倒，至今仍是世界上最大的无钢筋混凝土圆顶建筑。
制造工艺
混凝土凝固是相当精巧的化学反应，其中的活性成分为含有碳酸钙的岩石。此外，还需要含硅酸盐的岩石。但不能直接把这些成分磨碎混合后再加水，除非你要的是烂泥巴。为了制造会和水反应的关键成分，必须先断开碳酸钙和硅酸盐的化学键，要做到这一点没那么容易。碳酸钙和硅酸盐的化学键非常稳定，所以关键在加热，而且是高达1450℃的高温。岩石在这样的高温下会开始分裂重组，产生一群名为硅酸钙家族的物质。制造混凝土还需要富含铝和铁的矿石作为点石成金的材料，但比例必须正确，降温后才会形成粉末状的水泥。
水泥粉末只要加水就会迅速把水吸收，产生一连串化学反应变成凝胶。水泥胶化是因为水和硅酸钙原纤维。钙和硅酸分子溶解后，会形成极似有机分子的晶体结构（见下图），并且不断生长，化学反应也持续进行，增生的原纤维相遇后会彼此交错，形成键结锁住更多水分，直到水泥从凝胶变为坚硬的固体为止。这些原纤维不仅彼此键结，还会抓住岩石与石子。水泥就这样成了混凝土。
▲固体中的水泥内部的硅酸钙原纤维增生图
材料知识
混凝土要多久才会干？
答案是“混凝土永远不会干，因为水是混凝土的一部分”。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。
▲法国的米约高架桥由钢筋混凝土制成，是世界上最美的桥梁之一
材料故事
会自洁的混凝土
制造自洁净的混凝土的方法是掺入二氧化钛粒子。这些粒子虽然涂抹在表面，但由于粒子极小而且透明，所以外观与一般混凝土建筑完全一样。不过，二氧化钛粒子吸收了阳光中的紫外线后，就会产生自由基离子，能够分解沾上它们的有机污垢，让污垢由风或雨水带走。罗马千禧教堂就是用这种自洁净混凝土兴建的。
▲罗马千禧教堂
3
材料名称
玻璃
感官感受透明的
代表事物
玻璃窗、啤酒瓶、汽车风挡
发明历史
因为熔化制造玻璃的石英需要高达1200℃的温度，而古人是做不到这一点的。又是智慧的古罗马人，它们反其道而行之，发现了玻璃“助熔剂”——泡碱，一种天然生成的碳酸钠。泡碱让制作玻璃不再需要加热到足以熔化纯石英的温度。于是，这项技艺让罗马人发明了玻璃窗、玻璃镜，而且还能吹制出前所未有的薄壁酒杯。
制造工艺
这里我们不说普通玻璃了，来说说防弹玻璃。防弹玻璃中间夹了多层塑料，有如黏胶般让玻璃碎了也不会散裂。子弹击中防弹玻璃时，最外层的玻璃会立刻碎裂，吸收掉子弹的部分能量并让弹头变钝。子弹必须推着玻璃碎片穿透底下的塑料夹层，而夹层则有如流动的糖蜜，把冲击力分散到更大的面积，而非集中在一个点上。就算子弹顺利穿透夹层，它会遭遇另一层玻璃，一切经历又得再来一次。一道夹层能让玻璃阻挡住九毫米口径手枪的子弹，三道夹层能阻挡点四四马格南手枪的子弹，八道夹层可以让你承受AK-47的攻击。
材料名称
玻璃透光的奥秘
玻璃为何如此神奇，竟然会是透明的？光为何能穿透这种固体，其他物质为何无法让光穿过？让我们看一段TED-Ed的短片，来更形象地了解其中的奥秘。（短片内容出自《迷人的材料》第7章“透明的玻璃”）
| 玻璃为什么是透明的？|
材料故事
化学这门科学从玻璃身上得到的帮助比任何学科都大，这仅仅是因为一件东西——小小的试管。在玻璃试管发明之前，化学反应都在不透明的烧杯里进行，因此很难看到过程变化。有了玻璃这种材质，尤其是耐热玻璃问世之后，化学总算进阶成为一门有系统的科学。
耐热司玻璃是加了氧化硼的玻璃，玻璃加了它会抑制热胀冷缩。玻璃温度不均时，不同部位的胀缩速率不同，会彼此挤压，在玻璃内部形成应力，产生裂痕最后导致破裂。要是玻璃瓶里装的是沸腾的硫酸，瓶子碎裂还可能让人残废甚至死亡。硼硅玻璃的出现让玻璃的热胀冷缩从此绝迹，也连带去除了应力，让化学家可以随意加热或冷却化学物质，专心研究化学现象，不必担心可能的热冲击。
有多少诺贝尔奖是玻璃从旁边推了一把？又有多少现代发明萌生于小小的试管里？
从上面几种材料的知识和故事中，我们可以感受到，
我们周遭看起来只是五颜六色的东西，
它们背后隐藏的神奇远不是他们看上去的那样平凡。
物质世界与心灵世界的距离也并不那么遥远。
所有人都知道物质世界对心灵的影响有多强烈。
坐在舒服的沙发上和坐在木椅上给我们的情绪感受完全不同。这是因为对人类来说，物质从来都不只是实用品。上古考古证据显示，
人类一懂得制造工具，
就开始制作首饰珠宝、胭脂、艺术与服装。
这些材料的发明是为了文化与美感，
而文化与美感始终是材料科学发展的强大推力。
正是由于材料和社会功能关系密切，
我们喜欢的材料和出现在我们身旁四周的物质才会那么重要。
材料拥有意义，
诉说着我们的理念，
让我们成为我们。
无论在农场或都市、火车或飞机上、图书馆或购物中心，材料的意义都不断影响我们。当然，设计师和建筑师都会用这些意义来设计服装、产品及建筑，让我们爱上它们、认同它们、想把它们留在我们身旁。材料的意义就这样受我们的集体行为所加强，拥有了普遍的含意。人们购买衣服，通过身上的衣服成为自己希望成为或被迫成为的人。时装设计师是操纵这些意义的高手。但我们在日常生活的每一处都会选择材料以反映自己的价值观，从浴室、卧房到客厅都是如此。其他人也会在工作处、都市和机场把他们的价值加与我们。这是一个持续反思、吸收与表达的过程，它不断重塑身边物质对于我们的意义。因此，材料也反映了我们，展现了人类的需求与渴望。
最后，请再看一眼这张照片，如果你有兴趣读一读《迷人的材料》这本书，相信你会看到不一样的东西……
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编辑：李小托（漫漫），材料学博士，现居新西兰，
喜欢猫，喜欢简单随意的生活，
