这本书是英国的一个教授写的有关材料科学的科普读物。
本书选取了十种材料:钢、纸、混凝土、巧克力、发泡材料、塑料、玻璃、碳材料、瓷器、人体植入物。透过这十种材料的故事,作者马克讲述了各种材料的性格、历史和对人类世界的意义,也讲述了自己对材料天生的着迷。
(1)作者对材料的着迷
在混凝土的那一章,作者写道:混凝土的威力清晰可见,造访过建筑工地的人都会爱上它。我一周又一周都会从碎片大厦工地的观察窗往里看,看得心荡神驰。
在巧克力的那一章:巧克力融化后,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,你完全沉浸其中无法自拔,享受着这世界上最美好的人造物。
在瓷器的那一章:但米奥多尼克家的茶杯完好无缺,安然蜷伏在宛若子宫的火泥箱中,直到工人把箱子小心撬开,让它们以最出色的骨瓷风采降临世间。专家会检查它们有无瑕疵,接着如同打婴儿屁股一样轻弹一下做最后的检查……就是这个回音让米奥多尼克家的茶杯得到了认可,可以待价而沽……就算现在轻弹茶杯,我依然能听见它的强韧和生气。
(2)材料对人类历史的影响
材料对人类历史的发展有重要的影响,青铜器、铁器的发展,直接决定了国家武力的强弱和兴衰。听搞历史的人的讲过,我国的农耕民族对北方的游牧民族最大的优势就是金属冶炼技术,所以我们的兵器比他们更压倒性优势,只要我们限制对他们的金属贸易(明朝晚期之前),他们的发展就会受到很大的制约,不能与中原王朝对抗。
玻璃发明技术的缺失,对东方文明在近代科技竞赛中落后,负有很大的责任,因为玻璃是发明望远镜和显微镜的先决条件,没有望远镜和显微镜,东方人就没办法在天文学和生物化学方面更进一步。
(3)古代技术传播速度缓慢
这本书还给人一个启示是,过去的科技传播速度,远远慢于今天。中国过去曾几百年都是全球贸易的扛把子,很大程度上是瓷器和丝绸出口到欧洲挣外汇,这事差不多是从张骞和汉武帝时期开始的,张骞借与月氏结盟打匈奴之故不小心走通了丝绸之路,而汉武帝派兵在西域建立了西域都护府,看起来跟当今的美国很像,当世界警察,保护商道,然后利用自己的技术优势出口瓷器和丝绸给欧洲的土豪,挣回大把的外汇。
直到年,欧洲才有一个炼金术士不小心发现了制造瓷器的秘密,破解了中国人保守千年的秘诀。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,但英国还是花了五十年才用本地材料做出了瓷器,并命名为“骨瓷”(骨瓷里真的有动物骨头的粉末)。
(4)植入物让人体更好更快更强
阅读这本书后,我才第一次知道补牙是怎么回事。年,有人范明了一种银、锡、汞的合金,称为“汞齐”,成为治疗人类蛀牙的转折点。原始状态的汞齐是液态的,只要掺入其他成分,汞齐就会形成新的结晶,坚硬耐磨。医生就是把这种神奇材料在液态时注入牙齿蛀孔,等它硬化后稍微膨胀,和牙齿完全密合。复合树脂也是现代更好的补牙的材料。
作者马克前后补了八次牙(前四次用汞齐,后四次用的符合树脂),还曾经用一颗钛螺丝固定住断裂的膝盖韧带,亲身体验了材料科学在人体植入物方面的巨大成就。
髋关节置换、软骨和气管等人体组织再造,可以让老人重新获得运动活力,也可以让普通人像科幻电影里的人物一样,变得更好、更快、更强。但人类死亡问题,主要是心血管问题,所以材料科暂时还无法解决死亡的问题。
人体植入物的普遍性应用,目前最大的瓶颈是成本问题,很多选项只有巨富才能负担。
(5)材料科学的不同尺度
本书将材料尺度从小到大划分为,原子结构、纳米结构、微观结构、介观结构、宏观结构。
原子是最基础的材料结构之一,但不是唯一重要的结构。一些更大的结构也很重要,如位错、晶体、纤维、支架、凝胶等。这些结构个个都像小说里的不同角色,共同塑造了材料的形状。有时某个角色主导了小说,但只有让所有角色各归其位,我们才能完整解释材料的性质。
坚硬的钻石和乌黑柔软的石墨,都是由同一的碳元素构成的。两者性质的巨大差异来自于原子的排列方式,在于是立方体还是多层堆栈的六角平面。排列的规则取决于量子力学,而量子力学把原子视为波函数,而非粒子,因此用结构来称呼原子本身以及原子形成的键结更为恰当。
所以,就算原子的种类极少,也可以创造出性质极为不同的材料。这基本就是过去的美国通用等化学公司喜欢做的事情,目前的中化集团也在努力朝这个方向努力,即发现新材料。
许多纳米结构都能自我合成,也就是这些材料能自行生成。纳米世界的主要作用力为静电力和表面张力,纳米尺度下的重力非常微弱,而这两种作用力却特别强。我们可以设计纳米机械,让它能利用静电力和表面张力自动合成与自我修复。细胞内部本来就有这套分子机制。在纳米结构的尺度上,生命和非生命的分界线已经有些模糊了。微观尺度上,硅芯片由硅结晶和电导体聚积而成,是电子世界的动力火车。它们是人造的大脑神经元,尺寸相当于人体的细胞核。它们没有会动的部位,完全靠本身的电磁性质来控制信息流。
介观尺度,是肉眼可见的临界点,手机的触控屏幕就是很好的例子。智能手机将介观尺度的触控屏幕和纳米尺度的电子元件整合在了一起。超这个方向展望,未来或许我们的房子、建筑、桥梁可以自行发电,传到需要的地方,同时能侦测毁损并自我修复。如果你觉得这听起来像科幻小说,别忘了生物体内的物质早就做到了这一点。
由于材料的小尺度结构都包含在大尺度结构内,因此物质的体积越大,结构越复杂。这表示次原子粒子和量子力学的世界虽然被视为科学最复杂的领域,但其实比牵牛花还单纯很多。
(6)生命体与无生命体
生命体在概念上其实和无生命体没有区别,两者最大的差别在于生命体内部各尺度的联结更深,不同尺度会彼此沟通,主动组织生命体的内在结构。
作者最后提出问题:不同尺度间的联系加上主动回应,是否足以构成生命现象?随着我们更了解物质,迎来材料的新时代,生命和无生命的界限也模糊了起来,拥有人造器官、骨骼甚至人造大脑的仿生人将变得稀松平常。
(7)经典科普读物对高考选专业的意义
这是一本优秀的材料科学科普好书,适合中学生在高考选志愿之前阅读,看看自己是否对材料科学感兴趣。
高考按照兴趣选专业,有时候是很荒谬的。很多学生常常对那些候选专业几乎完全不了解,顶多是道听途说,这种层次的粗浅了解,谈何兴趣?
就像小张的舅妈问小张,现在有两个姑娘,翠莲和阿芳,你想跟谁结婚,你就按照自己兴趣来选吧。小张会问,翠莲是谁长啥样啥性格干啥工作什么文凭,阿芳呢?要是能有个大概的背景调研,自然可以在了解的基础上,按自己兴趣选择真爱。
在这里推荐几本不同学科的(我读过的)经典科普读物,这类科普读物相当于翠莲或者阿芳的比较可靠的相亲简历,据此小张可以再根据自己的兴趣在终身大事上做出自己的判断。
社会学:费孝通的《江村经济》,
医学:薄世宁的《薄世宁医学通识讲义》。
经济学,曼昆的《经济学原理》。
建筑科学:安藤忠雄的《建筑家安藤忠雄》。
金融投资学:唐朝的《巴芒演义》。
会计:唐朝的《手把手教你读财报》。
材料科学:马克的《迷人的材料》。
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