书入法

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 …… [ 展开全部 ]

作者：【英】马克·米奥多尼克
出版社：北京联合出版公司
定价：49.80元
ISBN：7550257612

给个评价做个书摘

序章走进神奇的材料世界

许诺荏苒 //

收藏 0条评论 2018-11-13 添加

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在地壳上只有两种金属是自然存在的：铜和金。其他金属都必须从矿石中提炼。

金属具有可塑性，通过加热能够变软甚至流动；

同时，金属还能通过敲打变得更强韧。

金属由晶体组成，晶体则是由原子按特定方式堆积而成的立体晶格，而原子之间则由金属键所固定，这便是金属之所以坚韧的关键。那么，一把刀为什么在长期使用后会变钝呢？这是因为在反复撞击后，金属键被打断了，晶体产生位移，结构发生改变。回到磨刀机上来，磨刀的基本原理就是反转上述过程，恢复晶体结构。

位错决定了金属的可塑性。如何使金属产生位错呢？加热。金属熔点的高低代表了金属键的强度，也代表了其产生位错的难易程度。因此，加热成为了提炼金属的关键方法。而人类对这个方法的掌握则终结了石器时代。

云胡不喜 //

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晚熟的科技

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没有金属铜，就没有金字塔

金的硬度也不大，因此很少有纯金的戒指，不然很容易刮坏变形。但人们发现，只要加入百分之几的其他金属，形成合金，就能改变金属的颜色、硬度。
合金的原理是什么呢？譬如金银合金，即是用外来的少量银原子取代了每个晶格里一个金原子的位置，由于外来原子的大小、结构、性质不同，扰乱了原本金属晶体的结构，从而使位错更难发生，因此金属才变得更坚硬。合金还能改变金属的颜色，例如原本透明的纯氧化铝晶体，如果加入铁原子，就变成了所谓的蓝宝石；如果加入了铬原子，则变成红宝石。
青铜其实便是铜加入了少量的锡和砷。

云胡不喜 //

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钢是谜样物质

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钢铁是珍贵的军事力量

钢并非某种纯金属，而是一种合金——加了碳的铁。它比青铜更硬，成分比青铜更加常见，因此也不难想见钢的好处了。不过呢，与金银合金不同，钢里的碳原子并没有取代铁原子的位置，而只是挤在铁原子之间，从而拉长了晶体。另外，碳成分的多少决定了钢的硬度。如果碳含量过多，钢会变得特别脆，过于易碎。
其实从科学角度来看，由于当时炼钢技术不成熟，很多刀剑的材料是“低质”的高碳钢，因此非常容易折断，如果在战场上发生这种事情那得多尴尬！所以一把好的钢剑成为了权力的象征，成为文明战胜野蛮的象征。在冷兵器时代，这种现象不足为怪。
我们再来谈谈日本的武士刀。武士刀的成分为特殊的“玉钢”，玉钢的特点是含碳量范围广，既有低碳钢，也有高碳钢。前者强韧而有弹性，后者易碎但是坚硬。武士刀的创新之处在于它融合了这两种钢：刀身使用低碳钢，因此在打斗时不会轻易折断；刀锋使用高碳钢，因此非常坚硬，砍钝了还能重新磨锋利。

云胡不喜 //

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武士刀完成不可能的任务

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贝塞麦法掀起工业革命

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不再夜夜磨刀

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误打误撞不锈钢

1913年一战期间，布雷尔利（Harry Brearley）受命钻研合金以改良枪管。他通过将不同的金属掺入铁中，以测试合金的硬度。某一天，他在自己扔掉的一堆已经生锈了的实验失败品中，看到一根闪闪发亮的枪管。
布雷尔利掺入铁里的两种成分是碳和铬，铬并不能让枪管变硬，因此这是失败的枪管。有趣的是，我们知道，钢之所以会生锈，是因为铁与空气和水发生化学反应，形成氧化铁，也就是所谓的“铁锈”。因此很多钢铁制品都必须涂上油漆以防锈。可一旦掺入了铬，氧气就会优先和铬反应，形成氧化铬。氧化铬透明而坚硬，且对铁的吸附力极强。也就是说，它既隐形又不会剥落，成为了钢铁的保护膜。
不锈钢不够坚硬，因此不能用来制造枪管，也不适合做刀剑，可这个“缺点”却成为了它的优点：它可以变形成复杂的形状。

云胡不喜 //不锈钢的诞生

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2 值得信赖的纸PAPER

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化身为笔记纸

纸的制作原理是什么呢？我们知道，纸张来源于树木，确切来讲是树木里的纤维素。纤维素与木质素结合成坚硬强韧的复合体，使树木能够挺立数百年不倒。要萃取出纤维素，就要先经历“去木质素”的过程，其流程是：把木材压成碎片，掺入多种化学物质，高温高压烹煮，打断木质素内的键结，最后释放出纤维素。通过这个流程，我们得到的是纸的材料——木浆。

把木浆晾干得到的是初步的粗糙的纸。接着再用漂白剂（如被称为白垩的碳酸钙）使之白皙，再加上其他涂料，防止墨水在纸上晕开（其实就是墨水渗进纤维里并扩散）。

云胡不喜 //

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保存记录

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印成相纸

一张印有照片的纸，成为了一种标准化的认证方式。甚至有些时候，不是现实中的人定义了照片上的人是谁，而是照片定义了我们是谁。而一张纸之所以能成为照片，精确地记录一个人的容貌，则是由于反射光与纸上的化学物质发生了反应，从而记录下了明与暗、光与影。譬如图上所示照片，其原理是：先在一张白纸上涂上溴化银和氯化银分子，在1939年拍照片的那一刻，从照片主人身上反射出的光线穿过相机镜头，照在这张相纸上，使氯化银和溴化银变成结晶，在照片上留下灰色斑点。这时还差最后一个重要步骤：必须在暗房里用定影剂洗去尚未参与反应的氯化银，否则，照片一见光，氯化银会立刻发生化学反应，毁掉整张照片上的影像。这就是胶片照片形成的原理。

云胡不喜 //黑白相片显影的原理

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印制成书

其实纸之所以会发黄有两个原因：
用廉价的低阶机械纸浆制成的纸里面有残留的木质素，木质素遇到光线会和氧气发生化学反应，形成颜色载体——发色基。发色基浓度增加就会使纸张越来越黄。这种廉价纸通常用来制作没有保存必要性的一次性纸制品，比如报纸。

如果在纸上涂上一层硫酸铝，就能使纸更加光滑。可是，硫酸铝会导致纸纤维和氢离子化学反应，使纸张变得脆弱且发黄。19、20世纪有大量的书是用这种纸制成的。如果你在图书馆看到这种浅黄色的旧书，多半用的就是这种材料了。当然，没有涂硫酸铝的纸张也会老化泛黄的，只不过没那么快和明显。
另外，有些人还很喜欢纸张的味道，觉得闻起来甜甜的，因为纸的老化会生成容易挥发的有机分子，导致纸张散发味道。

云胡不喜 //

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变身为包装纸

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以收据或发票呈现

发票上的墨迹很容易褪色。因为发票所使用的其实是一种特殊的纸——感热纸。纸上面预涂了一层酸剂，一旦纸张受热，酸剂就会和无色染料发生化学反应，使染料变成黑色。但是，变黑的染料放久了就会恢复“无色”状态，也就是我们所谓的“褪色”。

云胡不喜 //

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灵感来源的信封

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不可或缺的卫生纸

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充满高贵气质的纸袋

纸纤维在干燥时会形成氢键，但只要一遇水，氢键消失，纸袋就会解体。
纸的硬度取决于制纸过程中的“上浆”步骤，也就是添加高岭土或碳酸钙之类的细粉，用以降低纸张的吸水能力，阻止墨水渗入纤维，调节纸张的颜色等。

云胡不喜 //

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光鲜亮丽的封面纸

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化身带我去远方的车票

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钞票是另类的纸

钞票的制作之所以复杂，很大部分原因便是为了防止伪造。关于防伪，它可有几项绝活：
用纸特殊。它的材料不是一般的木质纤维素，而是纯棉。棉既能增强纸的硬度，遇水不易分解（相信大家都有过用洗衣机洗衣服时忘了把钞票从口袋里掏出来的经历吧）。而且，棉还使钞票有一种特殊的、清脆的声音。这样的棉基纸很难伪造，自动取款机能够侦测到它的质感，甚至人的手指也能感受得到。

第二种防伪方式是使用碘笔。普通纸里的纤维素里含有淀粉，和碘接触发生反应从而变黑。而棉基纸不含淀粉，因此遇碘不会变色。

第三种防伪方式是水印。水印是钞票上的图案，你得拿钞票对着光线才能看得清。其原理是通过改变棉的密度，使钞票上不同位置的明暗程度不一。

云胡不喜 //

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是纸又不是纸的电子纸

电子书的原理是使用了电子墨水，也就是把墨水粒子染成一面黑色，一面白色，两面各带相反电荷，这样通过调整电荷，每个粒子，也就是屏幕上的每个像素，都可黑可白。这种粒子我们称为亚努斯粒子，名字来源于古罗马的“变迁之神”，传说中他有两张脸。

电子墨水其实是真实墨水，因为在切换文字时粒子需要旋转，所以屏幕显示有一定延时，不像手机屏幕那样能瞬间显示。不过其好处是，电子墨水最大程度地模拟了阅读纸质书的感觉。

云胡不喜 //

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实实在在的报纸

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传达蜜意的情书

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3 作为基础的混凝土 CONCRETE

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混凝土要多久才会干

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加水多少是关键

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园艺家发明钢筋混凝土

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施工迅速且便宜的建材

混凝土要多久才干？实际上混凝土永远不会干，因为水本身就是混凝土的组成部分。混凝土和水发生化学反应，形成复杂的微结构从而锁住水分。不过尽管如此，混凝土外表仍然干燥，而且还能防水。
具体来讲，制作混凝土需要含有碳酸钙的石灰石和含有硅酸盐的岩石，以及富含铝、铁的矿石。石灰石是由埋在地底的生物体经过数百万年高温高压的地壳运动融合而成的，硅酸盐则是地壳的主要组成部分（90%）。
制作混凝土首先要将岩石加热到1450摄氏度的高温，断开碳酸钙和硅酸盐的化学键，岩石分裂重组，降温后就形成了灰白的粉末，这就是水泥。
水泥粉末遇水颜色变深，发生化学反应形成凝胶。其原理是钙和硅酸分子溶解后形成的晶体结构。
不断增生的原纤维相互交错，锁住水分，抓住碎石块，直至水泥从凝胶变为固体，这就是混凝土。

钢筋混凝土竟是由一个法国园艺家莫尼耶（Joseph Monier）在1867年发明的。在混凝土里加入钢圈，结果恰好水泥和钢材的键结很强，所形成的钢筋混凝土不同于任何其他天然材料。钢筋能够吸收弯曲引力，避免产生裂缝。更为恰巧的是，这两种截然不同的材料的膨胀系数几乎相同，这就意味着，它们能够适应不同的气温，避免了因为膨胀幅度不同而碎裂的危险。由于以上原因，钢筋和混凝土合二为一，成为世界上用途最广的建材。
科学家发明了一种自愈合混凝土。科学家在混凝土中掺入巴氏芽孢杆菌和淀粉。这些杆菌处于蛰伏状态，一旦混凝土出现裂痕，它们就会重获自由，遇到水便苏醒过来，吃掉预先掺入的淀粉，从而生长繁殖，并分泌方解石——混凝土的成分之一。方解石和混凝土键结，填满缝隙。
另外一种混凝土制成的布料，称为“水泥帆布”。它可以被卷为一筒，只要加上水就可以随意塑造成不同形状。这种材料最大的用途是救灾。

云胡不喜 //

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必得隐形，不能示人

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4 美味的巧克力 CHOCOLATE

黑巧克力里通常含有50%的可可脂和20%的可可粉，剩下30%的糖。这个糖含量已经算很多了，但为什么黑巧克力经常没有什么甜味呢？因为可可粉会释放出咖啡因和可可碱分子，味道都非常苦涩，能够抵消糖的甜味。
巧克力熔点和人的体温接近，意味着它平时的状态是固体，和人体接触就会融化。
可可脂含有天然的抗氧化成分，也就是能够天然防腐。
巧克力之所以让人上瘾，不仅是因为它味道好，还因为它含有咖啡因和可可碱，两者都是兴奋剂兼抗氧化剂。
巧克力里还含有少量的另一种兴奋剂——大麻素（大麻的成分），这也可能是巧克力令人上瘾的原因之一。可可脂是饱和脂肪，会提高心脏病的得病几率。

云胡不喜 //

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只熔你口的技巧

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嗅觉与味觉的绝佳享受

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可可豆不可生吃

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繁复的化学过程

巧克力的制作
收割下来的可可豆，先扔在地上，任其腐烂。两周之后，可可豆开始发酵，它里面的酶让酸和乙醇发生酯化反应，转化成巧克力味道的必要元素。这个发酵过程受气温、成分比例、氧含量等因素影响，因此调控这些变量就能控制巧克力的味道。因此，可可豆的品种、成熟度、发酵时间、气温控制都属于高级商业机密，制造高品质巧克力需要极为复杂严谨的工艺流程，因此好的巧克力才会那么贵。

巧克力还含有土味、坚果味和某种鲜味，这些味道是晒干和烘焙的结果。可可豆里的糖和淀粉受热分解，生成具有坚果焦糖味的香气分子。如果烘焙温度更高，可可豆里的蛋白质和糖就会发生“梅纳反应”，释放大量小型香气分子，带来坚果香和鲜味，还减少了苦涩感。

这样烘焙过的可可豆口感依然不佳，因为可可脂含量过高。直到1828年螺旋压滤机发明之后，巧克力的命运才得以改变。这种机器，通过碾压发酵烘焙后的可可豆，分离出可可脂，将可可豆磨成细粉，使得热可可口感润滑顺口。

云胡不喜 //

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分离后再加起来

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最美好的滋味

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绝妙的感官刺激

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有潜力的健康食品

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5 不可思议的发泡材料FOAM

气凝胶是由美国人契史特勒（Samuel Kistler）于20世纪30年代发明的。他发明气凝胶竟是出于对果冻的思考！果冻既不是液体，也不是固体，他由此猜测果冻是困在固体里的液体，这种固体是细到看不见的网格，网格内的水分由于水分子的张力而无法挣脱，但又能够晃动，因此果冻才会柔软而有弹性。

当然，契史特勒的兴趣远不止果冻的口感，他从果冻出发进一步思考：如果把液体移走了，固体网格能否独立存在？

他认为一切胶体内部的固体和液体相互独立存在，但目前没人能够将二者分离。而他找到了一种聪明的办法，简单来讲就是用气体去替换胶体内的液体，用气压去支撑柱住固体结构，使之不会崩塌。接着再让气体散逸，留下完整的固体结构，借此契史特勒证实了他的假说。

他进一步想，如果人为地用更加坚固的物质去替换这种固体网状结构，就能使之更加坚固。于是他用二氧化硅（玻璃的主要成分）做出了世界上最轻的固体：二氧化硅气凝胶。

云胡不喜 //

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难忘的惊鸿一瞥

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跟果冻一样的东西

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握在手中的蓝天

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飞向太空的材质

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捕捉太空物质

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随星尘号远航

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6 充满创造力的塑料 PLASTIC

台球从15世纪开始在北欧的宫廷里流行起来，直至19世纪，台球依然是由象牙制成的，自然非常昂贵。之所以选择这种昂贵的材料，是因为象牙有自己的特性：它的硬度能够承受几千次高速撞击而不会有碎裂损伤，能够轻易刨成球形，又能够染色。
科学家海厄特（John Wesley Hyatt）在硝化纤维素里掺入含有樟脑的溶剂，制成“赛璐珞”，并用它做出了整颗台球，这个过程叫做“塑化”。

云胡不喜 //赛璐珞因为质感还曾用来制作假象牙，珍珠，塑料还被用来做照相的底片，黑胶唱片，对电影业发展也有贡献。甚至还曾用来制作假牙。

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塑料没有罪

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用塑料取代象牙

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化学的车库革命

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塑料有助于人体防腐

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塑料专利之争

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珠宝的替代品

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假牙也有塑料革命

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视觉文化史的转折点

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电影推手

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7 透明的玻璃 GLASS

沙是岩石剥落的碎屑聚集而成的微粒，其主要成分是石英，而石英则是二氧化硅结晶。氧和硅是地壳中含量最多的两个元素，它们的化合会形成二氧化硅。而石英加热熔化后则形成液态的二氧化硅。一般来说，固体加热熔化，一旦降温又会固化，恢复原貌，这个过程是可以反复的。然而二氧化硅则不同，液态二氧化硅冷却时却不会再恢复成结晶，而是生成具有液态结构的二氧化硅固体——玻璃。
要做出好的玻璃其实不容易。首先是沙子里的杂质过多，其次是二氧化硅的熔点高达1200摄氏度，而一般的火焰只有700-800摄氏度。在人类发明制造玻璃的技术以前，依靠自然的力量也能形成玻璃——闪电。
罗马人发现了“助溶剂”——泡碱（碳酸钠），并用它来降低熔化石英的温度，从此人们能够大量制造玻璃。

云胡不喜 //

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高温闪电造玻璃

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罗马人的科学智慧

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中国人独缺的发明

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玻璃透光的奥秘

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玻璃推动科学进步

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玻璃揭开啤酒的面纱

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粉身碎骨保安全

为什么玻璃能够透光？沙子的成分和玻璃一样，为什么沙子却不透光？
玻璃里的量子排列方式与众不同，光所带来的能量远不足以使其内部电子移动，因此不会被吸收，而能够直接穿过原子，这就是玻璃透明的原因。但另一方面，紫外线属于高能光，能够被玻璃的原子所吸收，因此无法穿透玻璃。这就是为什么玻璃能够防晒。而普通的物质因此能够轻易吸收光能量，所以是不透明的。
当然现在人们也发明了强化玻璃，主要用在汽车行业，以增强汽车车窗玻璃的安全性。强化玻璃起源于17世纪40年代的一个珍宝，叫作“鲁珀特之泪”。它是一种泪滴状的玻璃，制作原理是把一小滴玻璃熔浆滴入水中，熔浆迅速降温，表层收缩，内部被挤压得没有空隙。因此，玻璃变得非常坚硬，连铁锤都砸不碎。

这种强化玻璃内部有大小相等、方向相反的“张应力”，以便维持表层的压应力，因此原子受到极高的张力，就好像一个小型火药库，一旦表层应力不平衡，就会发生连锁反应，内部原子瞬间弹回原位，使玻璃炸成碎片。但炸碎的玻璃非常细小，因此不会对人造成大的伤害。根据这个原理，汽车的挡风玻璃即使在车祸中遭受撞击，也会碎成数百万个小碎片，而不会割伤人。

防弹玻璃是加强版的强化玻璃。其原理是在强化玻璃中间夹上几层塑料，这样子弹击中玻璃时，最外层玻璃碎裂，吸收了子弹的部分能量并使子弹头变钝，中间的塑料夹层再把子弹的冲击力分散开。即使子弹能够穿透夹层，它还会再遇到一层玻璃。玻璃和夹层越多，防弹玻璃效果就越好，但如果想要防住AK-47的子弹，起码需要八道夹层。

云胡不喜 //

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透过玻璃看见世界

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8 坚不可摧的碳材料 GRAPHITE

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钻石是最昂贵的碳结构

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潇洒的钻石大盗

大盗沃斯（Adam Worth）曾经抢过一整船钻石，他正是福尔摩斯故事里面莫里亚蒂教授的原型。

云胡不喜 //

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钻石变石墨

钻石并非真的“恒久远”，实际上石墨比钻石还稳定。所有的钻石经过几十亿年都会变成石墨。
钻石并非世上最坚硬的物质。1967年，人们发现了比钻石更坚硬的物质——六方晶系陨石钻石，它同样由碳原子构成，内部是立体构造的六角形，据称硬度比钻石还高出58%。它最早的样本是在陨石撞击产生的高温高压环境下由石墨变成的。

云胡不喜 //

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煤炭化为黑玉

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合成多种碳结构

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更轻更强的碳纤维

1963年，英国皇家航空研究院的工程师决定自己来发明这第四种结构。他们通过把石墨纺成细丝，再将细丝织成布料，纵向卷起，就成了极高强度和硬度的“碳纤维”。然后再用环氧胶包住纤维，就制成了一种全新材质——碳纤维复合材料。碳纤维又轻强度又高，很快取代了铝成为制造飞机的主要材料，并横扫整个运动器材领域。

云胡不喜 //碳纤维

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神奇材料石墨烯

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9 精致的瓷器 PORCELAIN

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真正的永续环保材料

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中国人发明精致瓷器

“骨瓷”的制作过程非常繁琐：

1. 其原料是混合了各种矿物和兽骨的白色细粉，加入水后形成粘稠的糊状物，经由工人捏制成杯子形状的粗坯。

2. 接下来将这些粗坯放进起保护作用的火泥箱（火泥箱用耐火黏土制作，可以承受极高温度，用以充当其他黏土加热时的保护层），再将数百个同样的火泥箱放入窑里，将窑口封死，点燃炭火。随着温度升高，水分蒸发。当温度高达1300摄氏度时，窑里变成白热状态，矿物结晶内部的部分原子形成一条“玻璃河”，渗入结晶内部的所有孔隙，填满茶杯的整个表面。

3. 给两天时间，让瓷窑降温。由于有火泥箱的保护，茶杯依然纯白无暇。

我们可以通过轻弹茶杯表面来确定茶杯质量。如果杯子内部有孔隙或者瑕疵，部分声音会被孔隙吸收，声音就会不清脆。

云胡不喜 //