《迷人的材料》 柴知道解读
《迷人的材料》| 柴知道解读
关于作者
马克·米奥多尼克，材料科学家，科普作家，伦敦大学学院“制成研究中心”的主任。他曾与同事合办材料博物馆，还担任英国广播公司的科普主持人，曾被《泰晤士报》评为2010年最具影响力的100位科学家之一。
关于本书
《迷人的材料》介绍了10种人类文明中的重要材料，从微观和宏观相结合的角度，讲解了这些材料的独特性质和发展历史，以及它们给人类社会带来的变革。米奥多尼克希望通过本书，让人们重新审视日常生活中的材料，从材料学的角度来认识世界。
核心内容
材料是衡量人类文明水平的一把标尺，也是推动人类文明升级的动力。一种新材料的诞生，可以重塑人们的生活方式，也可以给人类社会带来全新的可能性，甚至改变整个人类文化的面貌。作者因此提出，文明的时代，就是材料的时代。
你好，欢迎每天听本书。本期音频为你解读的是《迷人的材料》，副标题是“10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事”。这本书的中文版大约18万字，我会用大约24分钟的时间，为你讲述书中精髓：材料是衡量人类文明发展的标尺，也是人类社会的基础设施。
我们生活的物质世界，就是由成千上万种材料构成的。但材料太常见，所以一般人很难感受到它对人类文明的意义。可如果你留心的话，会发现在提到人类历史的时候，历史学家经常会说：人类从几百万年前的“石器时代”，发展到了几千年前的“铜器时代”和“铁器时代”，到了20世纪，又进入了“硅的时代”。这里的石器、铁器、铜器、硅，都是材料啊！所以《迷人的材料》的作者说，文明的时代，实际上就是材料的时代。材料对于人类文明的意义，可能是超乎你想象的。
材料虽然随处可见，但以科学的方式系统地对材料进行研究，其实是最近一个世纪才发生的事。不过材料学虽然年轻，但它吸收了物理学、有机化学、无机化学、冶金学等很多学科的精华，而且比这些传统学科更加注重实用性。大到最轻的飞机机身、最坚固的摩天大楼玻璃外墙，小到一把最锋利的刮胡刀或者一块最耐用的人造骨骼，都属于材料科学的研究范畴。所以，材料科学被誉为是21世纪最前沿的领域之一，也是最近几十年以来备受诺贝尔奖青睐的学科。
《迷人的材料》是一本材料学方面的科普书，全书每一章都用一种材料作为标题，一共介绍了十种类型的材料。而且，作者不光是在原子这样的微观层面来讲解科学原理，还会讲解各种材料的发展历程，以及它们给人类社会带来的重要影响。《迷人的材料》拿过很多奖，比如英国皇家学会科学图书奖、《物理世界》2014年推荐的最佳科普书等等。《华尔街日报》给这本书做了一个非常精当的评价，说看这本书之前，你会觉得材料学很无聊，但看完这本书之后，你会不由自主地对身边的各种物品发出赞叹，整个世界在你眼中瞬间就不一样了。
这本书的作者叫马克·米奥多尼克，是一位材料科学家，被《泰晤士报》评为2010年最具影响力的100位科学家之一。在2015年的时候，比尔·盖茨特地在自己的博客里为《迷人的材料》写了一篇文章，夸米奥多尼克非常聪明、风趣，同时非常善于表达自己对材料学的热爱。的确，米奥多尼克是伦敦大学学院“制成研究中心”的主任，他跟同事一起，在这个中心里专门建了一个材料博物馆，里面收藏了很多难得一见的材料。除此之外，他还在BBC担任纪录片主持人，总之一直在利用种种机会，向大众介绍材料科学。
对于普通人来说，各种材料中所蕴含的科学原理固然重要，但更重要的，是理解材料对于人类的意义。那这期音频我们就来看一下，材料在人类文明和人类社会的发展过程中，究竟起着怎样的作用，有什么意义？所以第一部分要讲的问题就是，为什么作者会说文明的时代，就是材料的时代？第二部分，我们拿塑料为例，看看一种新材料的诞生，会在多大程度上改变整个人类社会？第三部分再来了解一下，材料能给人类的发展带来哪些可能性。
好，先来看第一个部分，为什么说文明的时代就是材料的时代？
之前说过，我们经常会用石器时代、铜器时代、铁器时代这样的词来划分人类的文明阶段。那我们就顺着这个思路，来看看这几种材料对人类文明的影响。
在石器时代的时候，人类使用最广泛的材料，是石头、木头，或者动物的骨头。但这些材料的用途相当有限，而且也不好用。就说木头吧，你用力敲一下，它可能就裂了，或者直接断成两截了。石头和骨头也没好到哪里去，你要是拿这些材料做把刀，可能用不了几次就废了。
但金属跟石头、木头这些材料完全不同。金属的好处在于，它既坚硬，又可以随意塑形。你只要把金属一加热，就能按照你想要的样子进行锻造。对于人类的老祖宗来说，发现金属是一个划时代的成就，等于你手上所有的装备，特别是斧头、刀这些切割型的装备，完成了一次大升级。
如果我们用显微镜从微观层面来观察金属的话，会发现金属的内部结构有点像盐，都是由一个个晶体颗粒组成的。不过这些晶体之间会有一些小裂缝，叫“位错”。金属之所以能变形，就是因为这些位错可以在金属里移动。一种金属的位错越容易移动，它的形状就越容易改变，硬度也就越低。
依靠着金属的这些神奇特性，老祖宗们把人类文明带上了一个新台阶。
举个例子，金字塔。金字塔是用石头建造的，但这些石头必须表面平整，大小均匀才行。为了对石料进行加工，古埃及人大约挖了1万吨铜矿，然后制作出了30多万把铜凿子，才完成了这项工程奇迹。金字塔是在公元前2000多年的时候建造的，但其实再往前推2000多年，大约在公元前5000年的时候，人类就开始研究炼铜技术了。如果没有铜凿子，那像金字塔这样的人类文明奇迹就不可能出现。
我们今天知道，铜这种金属的硬度比较低，质地软，敲打几下就会变钝，并不适合用来打磨岩石。只是古埃及人并不知道这一点，更不知道任何可以改进的方法，所以只能每敲几下就重新磨一磨铜凿子，再继续用。
那怎么解决这个问题呢？也有办法，就是往金属里掺入其他物质。因为外来原子会扰动金属晶体的结构，让位错更难移动，这么一来，材料的硬度就会变高，不容易变形。所以合金往往要比纯金属更硬。
合金最典型的例子，就是钢。钢其实就是把碳掺到铁里所形成的一种合金，它比铁更硬，是人类文明中最重要的材料之一。在很长一段时间内，炼钢技术，实际上代表了一个文明的发达程度。作者在书中举了一个例子，说有一位教授发现了一个古罗马人留下的大坑，这坑里埋了接近100万根钉子，都是用铁或者钢制成的，这是怎么回事呢？最后发现，是因为古罗马军队要从这里撤离，东西带不走了，又不想留给敌人，于是就把高科技产品都埋了。铁钉在当时，就属于这样的高科技产品，罗马人会造，别的文明还真未必能造的出来。当时的罗马军队还配备有剃刀，军人撤退回到家之前，可以拿这些剃刀把胡子刮干净再回去。这就可以显示我们跟外面那些胡子拉碴的低等蛮族是不一样的，我们是文明人。所以说，炼钢技术，的确是文明发达程度的一个衡量标杆。
钢之所以难炼，跟它的性质有关。炼钢的时候，如果铁里掺的碳多了，就会让钢变得非常脆，一遇到撞击就碎了。但问题是，无论是用木头还是煤炭来生火，都会让火里带有大量的碳，这些碳在加热过程中会和铁结合在一起，所以很难炼出好钢。但当时的人并不知道这个道理，所以直到19世纪中叶，炼钢基本就是靠“蒙”，靠不断地试错。人们并不知道为什么有的钢好，有的钢烂，也不知道怎样才能炼出好钢，更不知道在微观层面上，铁和碳混合在一起时到底发生了什么。所以炼钢这门技术，在很长时间内都是一门玄学。如果哪个地区恰好找到了一个好的炼钢技术，那当地的文明就会变发达。但这些炼钢技术都非常复杂，难以复制，而且都是行内机密，绝不外传。
从18世纪的工业革命开始，钢铁就成了最主要的建筑材料之一。可由于没有真正驾驭钢铁这种材料，人类也付出了惨重的代价。在1879年，当时全世界最长的铁路桥，叫泰河桥，被强风吹垮了，导致一列火车掉进了河里，车上所有乘客都遇难了。泰河桥就是用含碳量较高的铸铁制成的，这次事故让人们意识到，必须想出办法，解决钢材强度的问题。
在不断的试错过程中，终于，英国有一位叫贝塞麦的工程师想到了一个非常天才的方法：他把大量的空气灌进含碳的熔铁里，让空气里的氧和熔铁里的碳发生化学反应，生成二氧化碳，这样一直到熔铁里的碳全部都被移除之后，再掺回适当比例的碳，这样就能确保碳和铁的比例恰好是一比九十九，制造出极其强韧的钢材。
在贝塞麦发明了这种新方法之后，炼钢工业迅速规模化，钢制产品也越来越便宜，逐渐普及，人类正式迈入了机器时代。到了20世纪，人们彻底掌握了合金形成的原理，明白了金属变化的根本原理，冶金工业和炼钢工业的效率大幅度提升。如今，全球已经有一半以上的人口生活在用钢铁构筑的城市里。不管是人们每天都会用的刮胡刀、厨房用具，还是交通工具或者房屋，钢铁制品可以说是无处不在。
讲到这里，第一个问题就有答案了。为什么说文明的时代，就是材料的时代？你可以感受到，从石头木头，到铜，再到钢铁技术的发展，材料科学的每一次进步，都能带来一次人类技术和文明的升级：掌握了石头木头，人类就可以制作工具；掌握了铜，人类就可以建立文明和城市；掌握了钢铁，人类就开始了工业化进程，迈入机器时代。归根结底，对材料的掌控，实际上代表了人类对资源的利用能力，对环境的改造能力，以及对像原子这样的微观事物的认知能力。材料是衡量人类文明水平的一把标尺，也是推动人类文明升级的动力。所以作者才断言，文明的时代，就是材料的时代。
从石头到铜再到钢铁，我们是在用一种宏大的、历时性的视角在观察材料对人类文明的影响。接下的第二部分，我们把目光放得更专注一些，来看看具体一种类型材料的诞生，能在多大程度上改变人类的生活方式，渗透到人类生活的方方面面，甚至于改变整个人类社会的面貌。要回答这个问题，最好的例子就是塑料。
一提到塑料，可能你就会想到廉价、污染等等词汇，但实际上，塑料可以说是人类历史上最伟大的发明之一。石头、铜或者钢铁，这些都是自然界里本来就存在的材料，人类只是对它们进行了相对简单的加工。但塑料不同，它是一种完完全全的人工合成材料，和合成纤维、合成橡胶一起，被称为20世纪三大有机合成材料。塑料的用途极其广泛，它完全改变了人类社会的方方面面。
举个例子，台球。15世纪的时候，台球就开始在贵族圈子流行了。到了工业革命之后，台球桌价格降低，很多小酒吧里也开始有台球设备了。但台球运动的普及，始终面临着一个问题，就是台球实在太贵了，因为只能用象牙来制作。
今天很多人买象牙制品是为了彰显身份，但那时候不一样，当年用象牙做台球，那真是迫不得已啊。想想现在的台球你就知道，做台球的材料要能承受几千次的高速撞击，并且不能变形；要能被机器加工成球形，在这种过程中不能碎了或者裂了；还要能染色，否则都是白球也不行。当时能满足这些苛刻要求的材料，就只有象牙了。
但问题是，象牙很贵，尤其是台球在酒吧盛行之后，象牙价格更是水涨船高。台球厂商迫切地需要一种新材料来代替象牙。当时有一家台球厂，就在《纽约时报》上刊登了广告，说谁能发明代替象牙的新材料，就奖励他1万美元。
结果，还真就有人做出来了。一个叫海厄特的美国印刷工人，在自己的小实验室里发现，如果把做火药的原料硝化纤维，加入樟脑溶液后，就会变成一种韧性相当好的材料，拿它跟象牙相比，几乎可以以假乱真。这种材料，就是大名鼎鼎的赛璐珞。赛璐珞的出现，让台球的价格迅速下降，这才得以让台球运动风靡全世界。
赛璐珞一开始就是用来代替象牙的，所以它还有另外一个名字，叫“假象牙”。因为它能模仿很多高级材料的质感，除了象牙以外，玳瑁、檀木、珍珠母，都可以用赛璐珞代替。和现在一样，很多中产阶级希望能过上富人的生活，但又买不起象牙这些奢侈品，于是就用塑料制品代替。所以说，不光台球厂商和台球爱好者要感谢塑料，大批的中产阶级也要感谢塑料，因为塑料实实在在地提升了全人类的生活品质。拿现在的话来说，相当于给所有人都来了一次消费升级。当然了，动物保护主义者也要感谢塑料，没有赛璐珞的话，大象的命运恐怕要比今天悲惨得多。
不止如此，如果你是一个摄影爱好者，或者电影爱好者的话，你可能知道，赛璐珞还有一个极其重要的用途，就是用来制作胶片。
在传统摄影时代，拍照都是需要用底片的。在之前，照相机用的底片是玻璃做的，因为玻璃既透明，又不容易起化学反应。但玻璃有个致命的问题，就是太重了。当年，如果一个摄影师需要外出拍摄，他最多只能带上十几个玻璃底片，因为这就已经需要找匹马，或者雇一两个挑夫才能背得动了。这么一来，摄影就完全是一个有钱人的游戏。
为了解决这个问题，一位叫伊士曼的年轻人想了个办法：用赛璐珞来代替玻璃，制作底片。赛璐珞不光可以实现玻璃底片的所有功能，而且重量很轻，价格便宜，还可以卷曲起来塞到相机里，大大减小了相机的体积。这么一来，照相机就从以前笨重的庞然大物，变成了容易携带、价格便宜的日常用品，迅速普及到了寻常百姓家。这位叫伊士曼的年轻人，就是著名的柯达公司的创始人，他凭借着自己的发明开启了一场影像革命，名垂青史。
赛璐珞胶卷不光改变了照相机的形态，而且还直接推动了电影的诞生。人们只要把很多个影像保存在同一卷胶片上，再让这些影像快速连续播放，就能展现出动态效果。这就是电影的起源。
所以说，赛璐珞这一种塑料材料，带来的绝不光是生活品质的提高和生活方式的改变，还带来了整个人类文化的升级，将人类带入了影像的世界，重塑了整个人类的视觉文化。你想想，人类有多少文化产品、历史记忆、情感寄托，是依附在胶片这一材料之上的？如果没有塑料，这一切根本无从谈起。
刚才讲的这么多，还只是赛璐珞这一种塑料产品。塑料家族非常庞大，它的用途之广泛，对人类社会的影响和改变之深，简直难以想象。
咱们随便举几个例子。医学上用的福尔马林，也属于塑料家族。福尔马林可以保存人体的器官组织，列宁、“土耳其国父”凯末尔还有戴安娜王妃的遗体，都经过了福尔马林的处理；我们今天说的尼龙丝袜，这个尼龙也是一种塑料产品，是最受欢迎的服装材料之一，也影响了人们的审美；老式唱片用的黑胶也是一种塑料，它改变了人们记录音乐和听音乐的方式，影响了整个唱片行业和人类流行文化产业；塑料甚至还跟人体结合在了一起，比如整容的时候用到的硅胶，也是一种塑料产品……可以说，整个人类的当代生活，都是建立在塑料之上的。
讲到这里，一项材料能在多大程度上影响人类社会，重塑所有人的生活方式，乃至改变整个人类文化的面貌，相信你已经感受到了。就拿塑料中的赛璐珞这一种材料来说，它让台球的价格大幅降低，让台球运动普及开来；同时代替了象牙、檀木等材料，让塑料梳子、塑料项链等制品走入千家万户，改变了所有人的生活方式，还顺便改变了大象的命运；在赛璐珞被做成胶片之后，它在人类社会掀起了一场影像革命，重塑了人类文化，无数的文化产品、历史记忆和情感智慧，都依托在这一种材料之上。除了赛璐珞以外，尼龙、黑胶等其他塑料产品也极大地改变了整个人类社会的面貌。
刚才讲的铜、钢铁以及塑料这些材料，都很伟大，我们也都很熟悉。而接下来的第三部分，就要介绍几种你可能根本没听过的材料，但它们却为人类探索世界的方式，以及未来的发展，提供了一种新的可能性。
物理学家和天文学家们一直对陨石，还有太空尘埃很感兴趣，如果能弄清它们的构成元素，那我们对太阳系起源等等问题的认识，就会更深入。但问题是，陨石在通过地球大气层的时候，一定会发生高温燃烧，也就是跟大气层之间产生剧烈的化学反应，所以很不利于分析。所以科学家们就想，要是能直接从太空采集尘埃，再把这些尘埃原封不动地带回来进行分析，那就好了。
但困难在于，太空尘埃的运动速度非常快，一秒钟就能蹿出去5公里，比子弹的速度还要快得多。你可别觉得区区一个尘埃没什么，它的速度如果这么快，杀伤力还是很大的。要是想找个容器收集到这些尘埃，要么容器被尘埃击碎，要么这些尘埃就会受到破坏。除非你能找到一种材料，它既能分散撞击的能量，防止太空尘埃受损，同时又有很高的强度，防止自己被击碎，而且最好还是透明的，要不然就算把尘埃带回来了，你也找不到这些尘埃钻到哪里去了。
上哪里找这种材料呢？还真就有，这就是二氧化硅气凝胶。气凝胶这种材料很特别，它虽然是固体，但99.8%都是由空气构成的，是世界上最轻的固体材料。我们平常见到的像果冻、发胶、鸡汤这些胶体物质，几乎都是由百分之百的水构成的，不过如果你小心翼翼地把果冻里的水全部去掉，就会发现，果冻里还有一个很轻盈的固体网格，原来的水就被包裹在这个网格里。这个固体网格骨架，就是气凝胶。
二氧化硅气凝胶的外观跟泡沫差不多，半透明，而且没有明显的边角，看起来像是一片固体的云，非常漂亮。二氧化硅气凝胶的内部有很多孔洞，每立方厘米内都有几十亿个泡泡，密度极低。当遭遇太空尘埃高速撞击的时候，气凝胶内的海量气泡可以分散太空粒子的冲力，并且让粒子在几厘米的距离内就能缓缓减速到0，这样就不会损伤到这些尘埃。所以说，气凝胶简直就是为收集太空尘埃而生的理想材料。
终于，在2006年，美国的星尘号宇宙飞船带回了专门为收集太空尘埃设置的气凝胶，以及气凝胶内部完好无损的彗星尘埃。
对这些原始尘埃的分析结果令人非常意外。因为以前人们一直以为，所有彗星都是由冰、尘埃和气体组成的。而气凝胶带回的彗星尘埃中，绝大多数都被检测出了含有金属铝元素的熔滴，要知道，这种熔滴需要1200摄氏度以上的高温才能形成。这个发现就证明，人类之前对彗星形成的看法很可能是错的，对太阳系形成的认识也不完全正确。
其实气凝胶这种东西，人们在上世纪30年代的时候就有所了解了，但一直没派上什么大用场。可作为人类社会的基础设施，任何一种材料，都可能在未来的任何时间产生你意想不到的作用。原先我们觉得不现实、不可行的方案，可能因为一种新材料的诞生，就变得触手可及了。
再举个和太空有关的例子，“太空电梯”。1960年的时候，一位俄罗斯工程师提出了一个设想：说人类可以建造一条缆线，直接把海上的船只和天上的人造卫星连接起来。后来又有工程师提出了一个更大胆的天梯计划，就是兴建一座直达太空的电梯，直接把人员和货物送上太空。
当然了，这些设想一直被认为是异想天开，方案很好，但是并不可行。但一种新材料的出现，就把这个“不可行”变成了“有可能”。这种材料，就是碳纳米管。
碳纳米管的结构非常特别，它虽然轻，但强度却非常高，有比钢铁高出100倍的抗拉强度。不过通常情况下，碳纳米管只有几百纳米长。如果科学家能做出几米长的碳纳米管，那就可以把它用来制造太空电梯。
实际上，日本有家公司已经计划在2050年之前，用碳纳米管造出天梯。如果真能实现的话，进入太空的费用将低于航天飞机费用的百分之一。当然了，这家公司能不能完成目标还是个未知数。但至少，碳纳米管材料的出现，已经让太空电梯成为了一种很有希望的太空进入方案。
从气凝胶和碳纳米管的例子中你就能感受到，人类在发展和探索过程中所遇上的很多问题，实际上就是材料的问题。因为材料是人类探索和发展基本工具，基础设施。每一种材料，实际上都让人类多了一种探索世界的方式，多了一种解决问题的方案。每一种新材料，都可能给人类带来全新的可能性，带来一种新的思考维度，把不可能变成可能。这正是材料作为人类文明基础设施的意义所在。
好了，讲到这里，本期音频的内容就差不多了，我再来给你总结一下本期音频的重点。
首先讲到的第一个问题是，为什么说文明的时代就是材料的时代？因为从石头、木头，到铜，再到钢铁，每次材料的升级，都能带来一次人类技术和文明的升级。对材料的掌控，实际上代表了人类对资源的利用能力，对环境的改造能力，以及对世界的认知能力。所以说，材料是衡量人类文明水平的一把标尺，文明的时代，就是材料的时代。
第二部分我们拿塑料举例子，讲到了一项材料的诞生，能在多大程度上改变人类社会的面貌。单是赛璐珞这一种材料，就让台球运动普及开来；同时让塑料梳子、塑料项链等制品走入千家万户；在被做成胶片之后，赛璐珞重塑了人类的视觉文化，无数的文化产品和历史记忆都依托在这一种材料之上。所以说，一种新材料的诞生，就可能重塑整个人类的生活方式和社会文化，改写人类的历史。
最后的第三部分我们讲到了，材料可以给人类的探索和发展带来许多新的可能性。比如气凝胶的存在，就让从太空收集宇宙尘埃成为了可能。碳纳米管的诞生，就把太空电梯从不可能变成了可能。所以说，材料是人类手上的基本工具，每一种新材料，都可能给人类带来新的可能，带来新的问题解决方案。这正是材料作为人类文明基础设施的意义所在。
撰稿：柴知道 脑图：摩西 转述：江宁