作为一个欧美的娴熟科普写手,作者首先从个人的经历里面找到了一个很棒的切入点,进行材料世界。个人的经历本身就具有故事性,让文字读起来没有教科书般的枯燥。
然后,从单一的个人论述,走向人类的论述。这里有两个维度,一个是从个体走向社会;一个是从短暂的生命尺度走向人类社会的历史进程。于是,文明时代与材料时代的关系,被建立起来。然而,即使面对这么宏达的主题,作者仍让没有论述很多空洞的内容,而是转而给出很多例子,建立起读者的情感共鸣和认同。人类建构了物质时间,是一个很好的回马枪。之前论述的都是材料对于人类的影响,这里反过来将人类对于材料的影响也加入进来,这样就实现了相对完整的“人和材料的关系”。对于每一种材料,都要论述发明/发现他们的动机、故事以及他们对于人类的重要性。只要在每一个章节中有人的论述和讨论,那么整个的行文就不再是一个教科书,就成为了科普书籍。所以,这里演绎一下,科普书籍和专业书籍,起根本的差别是对待人的作用的不同处理方式。同时,作者在每一章节,都尝试给出认识材料的不同角度。材料科学是从技术层面理解物质的最强大、最统合的理论架构,但重点还是关于材料,而不是关于科学。在论述人和材料的关系之后,指出了尺度问题。什么是丈量世界的尺度?人类。材料科学的基本概念,就是看不见的微观世界若有变化,那么在人的尺度之中,物质行为也会跟着改变。所以,这里一再强调人的作用。
1. Steel. 在这一章节中,作者首先提出了晶体的概念。然后,用回形针的例子解释了位错的存在和作用。接着,给出了金银合金所代表的合金和混合概念,强调本质是嵌入的物质扰动了原本金属晶体的物理和电子结构,使得位错难以移动。青铜,就是黄铜加锡。钢和铁的差别在于是否含碳,而含碳量的高低对于钢铁的性质有着致命的影响,1%就是那个所谓的刚刚好,而日本武士刀的例子说得很好。从技术层面,利用贝塞麦法炼钢,给出了先去除碳,然后再加入碳的方法,确实是思维方式上的创新。为什么钢勺子没有味道?因为它是不锈钢,而不锈钢是加了铬,在表面形成了氧化铬,是的铁无法和氧气结合生成氧化铁,所以才能够不锈蚀。
2. Paper. 纤维素依靠木质素粘结起来,这就是木材。而纸张就是纤维素。是利用高温高压打断木质素的键结。加入白垩使纸张变白。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。它们也决定了纸张的吸水性以及颜色。纸币使用的是存棉,利用不同的厚度等形成水印。电子书,是电子纸,是亚努斯粒子,一面是白,一面是墨水。这个章节的论述,和之前的时间轴不同,而是分为纸张的不同类型来进行论述,这样作为一个科普作品,让人有一种形式上的新鲜感,
3. Concrete. 这一章节,是全书我最喜欢的部分,读起来有种莫名的欣喜。水泥的主要成分是硅酸钙,而硅酸钙是碳酸钙和铝铁等作用下生成的。水泥遇水后,钙和硅酸分子溶解后,会形成及似有机分子的晶体结构,并且不断生成,是的水泥内部的凝胶不断改变。生长的硅酸钙原纤维相遇后,彼此交错,将水分锁住,直到水泥从凝胶变为坚硬固体为止。这些原纤维不仅能够彼此键结,而且还是抓住岩石和石块,水泥就这样成了混凝土。混凝土的最大优点在于可以是任意形状,同时在水中也可以固结。混凝土的问题在于,容易形成断裂,一种是塑性断裂,比如口香糖,一种是脆性断裂,比如玻璃。于是加入了钢筋,于是有了钢筋混凝土。热胀冷缩,形成裂隙,水分进入,结冰膨胀,裂隙进一步加大。而钢和混凝土的膨胀系数几乎是一样的,这样利用钢来抵抗断裂。
4. Chocolate. 这一章写的好复杂,看的有些晕晕的感觉。首先,巧克力最早是作为饮料存在的。可可脂主要成分是甘油三脂,堆排的差异,决定了熔点。这里又一次在讨论结晶,可可脂存在5种结晶方式,第5种熔点在34,最适合人类的口感。黑巧克力是50%可可脂,20%可可粉,剩下都是糖。可可脂融化,释放出可可粉,再利用糖中和苦味。首先,让可可豆发酵,生成酸和酯,然后在160度下糖和蛋白质发生梅纳反应,形成小型香气分子。过滤后,将可可脂和可可粉分离。将可可粉磨细后,再加回去。可可脂融化,释放可可粉。牛奶让干涩感降低。同时,还含有咖啡因和可可碱,可可碱可以让小狗丧命。
5. Foam. 这一章不喜欢,不知道为什么要写这一章,是为了说明什么?反正不喜欢,没啥收获。
6. Plastic. 这一章更逗,作者直接利用剧本的形式,算在是第二章的变形后,有一次改变风格。怎么说呢?感觉作者有些太“好莱坞”了。塑料是怎么起源的?居然是为了替代象牙来做台球。这个起源,我真的是无论如何也想不到。赛璐璐,就是消化纤维素,关键是要有含有樟脑的溶剂。这个过程,就是塑化。之后,又举了几个例子,比如柯达的底片和胶卷等。
7. Glass. 二氧化硅达到熔点后,成为液态,但是降温后不会结晶为之前的状态,所以形成具有液态结构的二氧化硅固体,也就是玻璃。两个困难,一个是天然材料中含有其他矿物成分,不仅仅是二氧化硅;二是融化的温度很高,1200度,很难达到。罗马人一是利用泡碱(碳酸钠)作为助熔剂,降低了融化的温度,二是利用吹制的方法,让成型变薄。玻璃为什么透光?为什么其他物体不透光?因为玻璃里面电子的能量跃迁的主频都在可见光之外。钢化玻璃有两个特点,一个是快速冷却,让玻璃承受很强的应力,达到强化的效果,同时在玻璃里面加入隔层,这样不至于严重破碎。
8. Graphite. 讲了钻石和石墨,以及石墨烯,觉得这个最最关键是的人类对于世界的认知角度。最最关键的,是碳原子在不同的结构下,具有的性质,虽然是非生物的,但是确实很有整体和局部之间的内在联系。
9. Porcelain. 首先,陶瓷的基本原料是黏土。当黏土被加热至高温时,原子开始移动,重组,让被迫在结晶表面的原子越少越好,结果就是结晶表面越来越小。这些原子重塑了结晶的形状,不断压缩紧实,消除其中的空隙,于是所有微颗粒结晶自然缓缓压合成完整个单一的物质。针对陶器多孔易碎的问题,通过覆盖一种特殊的灰烬,加热时生成生成玻璃态图层附在表面,将孔洞封住。瓷器,是中国人利用了高岭土,并且加入了石英长石等成分,制作成混合黏土,称为白黏土。加入后,变成白陶。但是继续将温度升至1300,变成外表如玉的固体。这就是瓷。结晶间的部分原子将形成一条玻璃河。这些液态的东西,渗入结晶间的所有孔隙。
10. Implant.这里强调了3D打印等技术,还是很棒的。
材料科学之美。
这里,我们发现作者提出了两个世界的解释:生物的世界,和非生物的世界。两个世界,都是由原子组成的。同时,有为不同尺度见的关系所连接。
人的尺度(手——餐具(钢)),袖珍的尺度(毛发——纤维),介观尺度(组织——纤维素(纸)),微观尺度(细胞——晶体(陶瓷、玻璃)),纳米尺度(DNA——纳米管(石墨)),原子尺度(原子——原子)。
也许,我们是看着自己,来认识这个世界的。纳米尺度,也就是大分子尺度。
生命与非生命的分野是什么?两者遵循的机制,到底有多少不同。光合作用,到底是生命的,还是非生命的。什么是生命?
我们将自己的需求,诉诸于无生命的材料世界,那么我们是不是也将我们生命的一部分,转移到了它们的身上了呢。
以无生命的材料,看待有生命的自己
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书名: 迷人的材料
作者: [英] 马克·米奥多尼克
出版社: 北京联合出版公司
原作名: Stuff Matters: Exploring the Marvelous Materials That Shape Our Man-Made World
副标题: 10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事
译者: 赖盈满
出版年: 2015-9
页数: 244
定价: 49.80元
装帧: 平装
丛书: 未读·探索家
ISBN: 9787550257610