迷人的材料 8.3分
读书笔记 全文脉络
月下白桦

全文脉络(小结): 序章 走进神奇的材料世界 材料构筑了我们的世界,四下望去,到处都是人造物。时间回溯到史前,自然没有人类的痕迹。文明时代就是材料时代,石器时代、青铜时代、铁器时代......不过,相较于之前的人们误打误撞的“发明”,我们用现代科学理论,能够清楚地理解为什么材料会是这个样子。 炼金术曾是一门神秘的学科,所有的物质仿佛都会呼吸。现在我们知道,“炼金术“并不存在,但是物质具有的美丽玄奥,就算被科学揭开了神秘的面纱,也使人赞叹不已。 有生命的和无生命的、自然的和人造的,最大的、 最微小的事物,都不像表面看上去那么简单。那么,现在有兴趣进入材料科学的领域,从另一个角度看这美丽世界了吗? 一、不屈不饶的钢 金属与古代人类: 在石器时代,金属非常罕见,因此备受珍惜。铜和金是当时仅有的金属来源,因为地壳上只有这两种金属是自然存在的(其他必须从矿石中提炼),只是数量不算多。地壳上也有铁,但绝大部分来自天上的陨石。对史前人类来说,发现金属是划时代的一刻,但金属数量不多的基本问题仍没有解决。 后来有人发现了一件事,这个发现终结了石器时代:他们发现有一种绿色的石头,只要放进热焰里再覆以火红的灰烬,就会变成发亮的金属。我们现在知道这种绿色石头是孔雀石,而发亮的金属当然是铜。我们的老祖先只能对孔雀石等少数几种岩石施展这种魔法。 大约从公元前5000年起,我们祖先便不断尝试错误,精进炼铜技术。铜制器具不仅促成了人类科技的突飞猛进,还催生了其他技术,以及城市和第一波人类文明的出现,埃及金字塔就是铜制器具大量应用的结果。从黄铜时代、青铜时代铁器时代,在文明不断发展中,合金也越来越坚硬。黄铜很软,属于天天然矿产,而且容易熔治。青铜比黄铜坚硬许多,是铜的合金,含有少量的锡,偶尔包括砷。因此,如果手上有黄铜又知道方法,只需要费一点功夫就能做出强度和硬度都比黄铜高十倍的武器和剃刀。唯一的麻烦就是砷和锡非常稀有,青铜时代的人开发了许多精心找出的贸易路线,从康瓦尔和阿富汗等地运送锡矿到中东文明中心,就是为了这个目的。 金属的微观性质——位错: 金属由金属晶体组成,一片刀刃平均含有几十亿个晶体。晶体里的原子都按特定方式堆积,形状接近完美的立体晶格。当我们用电子显微镜观察金属晶体,感觉就像看到铺的毫无章法的地砖,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成工具、切割器和刀刃的好材料,就是因为位错,它能让金属改变形状。金属的可塑性来自位错在晶体的移动,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。 金属的熔点代表晶体内金属键的强度,也代表位错容不容易移动。铅的熔点不高,因此位错移动容易,使得铅非常柔软。铜的熔点较高,因此也较坚硬。加热会让位错移动,重新排列组合,结果之一就是让金属变软。 不锈钢不锈的原因: 不锈钢是掺了铬的钢,当氧气氧化不锈钢时,铬会抢先反应形成氧化铬。氧化铬是透明坚硬的矿物质,对铁的附着力极强,有如一道隐形的化学保护膜把钢铁完全包住。除此之外,我们现在还知道这层膜还会自我修复!即使保护膜遭到破坏,它也会自行修复。 这层保护膜还有其他有趣的应用。氧化铬在铁的表面形成的保护膜,让舌头永远都碰不到铁,唾液无法跟金属反应,使得汤勺偿起来没有味道,而不是一股铁味。 二、值得信赖的纸 纸在我们日常生活中太普遍了,让人很容易忘记在人类历史上大多数时候,纸都是稀有的奢侈品。那么,我们习以为常的纸,到底是什么? 纸的来源: 纸,比如笔记纸,看起来平整、光滑、毫无缝隙,其实纸是由一大堆极微小的纤维压叠而成的。纤维大多来自树木中的纤维素,而为了让昂扬直立的树木变成可以卷曲的纸,需要去除其中作为黏着剂木质素。 这一过程,需要将木材压成碎片再掺入多种化学物质,然后用高温高压烹煮,以打断木质素内的键结,释放出纤维素,因此得到的液体叫木浆。将木浆放在平坦的表面上,就会得到最初级的纸张。之后通过不同的处理,就可以得到不同用途的纸张。 纸为什么会发黄? 纸放久了会变黄有两个原因。 一、如果是廉价的初级木浆纸,里头仍然带有一些木质素。木质素遇到光会和氧发生化学作用,形成发色基5,也就是颜色载体,只要浓度增加就会让纸发黄。这种纸通常用来制造廉价的抛弃式纸制品,报纸受光照射后会迅速泛黄就是这个道理; 二、以前很多纸会被人涂上硫酸铝让其更光滑,19世纪和20世纪有大量书是由这种纸制成的。硫酸铝的主要用途是净水,但在制纸过程中使用却会形成酸性,导致纸纤维和氢离子反应,使纸张发黄,并且让纸更脆。 纸的应用与原理: 纸具有非常适合凹折与弯曲的力学构造,大力折纸会让该部分的纤维素纤维断裂,产生永久的弯折,但仍有足够的纤维没有受损,使得纸张不至于撕开或断裂。这种情况下,纸其实还是很难撕开。这两项特点让纸可以凹折成任何形状,几乎没有其他材料可以媲美。 三、重要的混凝土 如何制造混凝土: 想要制造混凝土,首先需要碳酸钙和硅酸盐,获取它们并不困难,因为地壳中充满了它们。之后,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,这就比较麻烦。 地壳中之所以有很多的碳酸钙和硅酸盐,是因为它们不容易发生化学反应。只有在1450度的高温下,岩石才会分裂重组,产生一群名为硅酸钙家族的物质。称为家族是因为不同的硅酸钙含有程度不等的杂志,会影响化学反应的结果。制造混凝土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,降温之后才会形成颜色如月球表面的灰色粉末,叫水泥。 水泥粉末只要加水就会迅速把水吸收,然后颜色变深逐渐变成我们熟识的混凝土。之所以水泥不像其他加了水的岩石粉末变成烂泥,是因为吸水的过程叫胶化——钙和硅酸分子溶解后,形成硅酸钙原纤维,这些纤维之间会形成键锁住水分,随着水的进入不断生长,彼此交错,直到水泥从凝胶变成坚硬的固体为止。 为什么钢筋混凝土比较普及? 混凝土有个致命的弱点,只要有一处脆弱就会破坏整体,使得材料裂开或碎裂,这叫”脆性断裂“。有两种材料断裂,首先是”塑性断裂“,例如把口香糖拉断就是这样,材料受拉扯后会产生晶格重排而导致延展,使得中间越来越细,最后一分为二。用这种方法弄断金属,因为必须移动许多位错,所以要非常费力,这也是金属的强度和韧度都高的原因。另一个就是”脆性断裂“,如玻璃、茶杯破裂就是如此,这些材料无法借由流动抵消拉扯的力道。 混凝土由于有这个特点,罗马人只好限制混凝土的用途,只用在受压缩而非拉扯的结构体,比如柱子、圆顶或地基上,在这些地方的混凝土全被结构的重量压着,在受到挤压的情形下,混凝土就算有裂隙也依然强固,代表建筑有罗马万神殿。而在楼面、桥梁隧道和水坝这些地方,有一点裂痕就会在建筑的重量下造成崩塌。 为了解决这个问题,钢筋混凝土出现了。混凝土得到钢筋的加强后,就算受到弯曲应力,也会由混凝土内的钢筋吸收,不会产生大裂缝。而且,钢筋混凝土便宜,施工方便,适合机械化工法,各种特性非常适合建筑生产,于是它成为世界上最普及的建筑材料。 钢筋混凝土的出现非常偶然,甚至可以说是个奇迹。材料不是静态,会因环境而变化,尤其受温度影响更大,大多数的材料热胀冷缩,建筑、道路到桥梁,无不因日夜温差额胀缩,仿佛呼吸,结果就会产生裂隙。钢和混凝土的膨胀系数几乎完全相同,也就是两者的胀缩率几乎相同。 于是,钢筋混凝土的时代从此到来。 四、美味的巧克力 巧克力是集数百年厨艺制造技术的巅峰之作,世界上最美好的人造物——”神吃的食物”。下面就要讲述,为什么巧克力配得上这些称号的原因。 什么造就了巧克力独特的口感? 当你尝一块黑巧克力,硬块在舌头的热度降伏下,突然变软。巧克力熔化后,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。巧克力为什么会熔化成美味的液体呢? 简单来说,因为制作黑巧克力的可可脂晶体(五号可可脂结晶)熔点接近于人体体温(34度),当放入口中融化之后,会释放原本被可可脂晶格所束缚的数百种物质。这些物质包括大量的可可粉、糖类,还有600多种各式各样的香气分子。 虽然这个过程看上去很简单,但所需要的制作技术是非常复杂和高明的。 从可可豆到巧克力: 巧克力来自可可豆,生长在热带地区的可可树的果实。可可豆和巧克力相差很大,人们需要非常繁复的技术才能实现这个转化,巧克力的味道虽然非常好吃,但可可豆的味道一点都不好吃。 发酵:当可可树的种子被收割下来,就会被扔到地上叠成一堆,任由它们腐烂。接下来两周,种子开始腐烂发酵,温度也不断升高。这么做是要“杀死”种子,不让它们发芽长成可可树。但更重要的是它还会促成化学反应,把可可豆里的成分转变成巧克力味的必要元素。 水果气味的酯分子就是在发酵过程中形成的,跟所有化学反应一样,这个过程受到非常多的因素影响,例如成分的比例、环境温度和氧含量。这表示巧克力的味道不仅非常依赖可可豆的成熟度和种类,也取决于可可豆堆得多高、放置时间多长和平时的天气。这些都是商业机密,唯有对品种和处理过程了如指掌,才能买到对的可可豆。为了控制质量,还得考虑热带气候的多变和偶尔爆发的疫病。总之,制造高品质巧克力需要极其严谨的工艺,因此好的黑巧克力才会那么贵。 晒干和烘培:烘烤让每粒可可豆都变成了一座小型化学工厂,在其中进行多种反应。首先是可可豆里的碳水化合物开始分解,使豆子由白转棕,生成多种具有坚果焦糖味的香气分子。当温度超过160度,可可豆里的碳水化合物和蛋白质就会发生梅纳反应,再跟之前发酵时产生的酸和酯作用,形成大量的小型香气分子。梅纳反应给可可豆带来了坚果味和鲜味,减少了苦涩感。 分离和混合:在螺旋压滤机被发明之前,经过上述制造过程的可可豆只能磨碎后倒入热水,成为中美洲部落经常喝的“巧克拉托鲁”(苦水)。这种饮料并不好喝,有一种渣滓感且厚重油腻。而发酵和烘培过的可可豆经过螺旋压滤机的碾压,就会分离出可可脂和可可豆颗粒。可可豆颗粒磨成更细的可可粉,之后冲泡就是丝滑般柔顺的热巧克力,非常好喝。 分离之后,再将可可脂与可可粉混合,加上糖,各种物质都在适合的比例,就产生了完美的巧克力。如果还想要不同口味,也可以加入其他物质,比如牛奶。 剧毒的巧克力: 巧克力中含有可可碱,对于人来说效果温和,是一种兴奋剂兼抗氧化剂。但对于狗来说,是剧毒!每年都会有狗误食巧克力而丧命,尤其是在复活节和圣诞假期。 五、不可思议的发泡材料 气凝胶的发明: 气凝胶发明于上个世纪30年代,发明者契史特勒,发明灵感来自于果冻。 果冻是什么?果冻不是液体,也不算固体,它是困在固体里的液体,这个固体监狱的铁栅是长串的明胶分子,明胶分子入水后会先分解再连成网状,把液体锁住让它无法流动。果冻网格内的水分子是由表面张力拉住,由于这个张力的强度刚刚好,使得水无法挣脱又可以晃动,所以果冻才会那么柔软而有弹性。 气凝胶来自于对于果冻的一个问题:果冻内的明胶网络是不是一个整体?如果是的话,那么胶体结构和内部液体相互独立,里面可以填充各种成分。如果将胶体里的液体替换成气体,于是就产生的气凝胶。 气凝胶的不可思议: 气凝胶有许多不可思议的特点。首先,气凝胶非常轻,比如二氧化硅气凝胶99.8%是空气,密度只约略大于空气三倍,基本上等于没有重量;其次,气凝胶非常隔热,是世界上最好的隔热体,因为它就像亿万万层玻璃和空气,阻隔了原子振动。由于有了上述这些特征,气凝胶被用在许多具有重大影响力的地方,比如粒子研究,再比如捕捉太空物质。 六、充满创造力的塑料 七、透明的玻璃 玻璃是如何炼成的: 玻璃是忘却的二氧化硅。二氧化硅固体受热熔解成液体,其后冷却但忘记了如何结晶——哪个原子该在哪里,谁该排在谁旁边。当原子能量越来越少,越来越难移动,原子就更难回到组成结晶的正确位置,结果就是生成具有液态结构的二氧化硅固体,即玻璃。 古人想要炼成玻璃非常困难,因为需要高达1200度的温度。不过,罗马人发现碳酸钠可以助熔,使二氧化硅的熔点大大降低,从而让玻璃进入了日常生活。 八、坚不可摧的碳材料 碳材料的各种排列方式: 第一种排列方式的产物就是钻石。这种排列方式的是最简单的,就是把一个碳原子的四个电子跟另一个碳原子共享,形成四个化学键,构建稳固的结构。目前人类发现的最大的钻石位于银河系巨蛇座的巨蛇头,体积为地球的五倍;目前人类发现的存在于地球上的最大的钻石,名叫“非洲之星”。 第二种排列方式的产物是石墨。碳原子以六角形联结成的层状结晶,构造非常稳定坚固,碳原子间的键结强度也高过了钻石。钻石最后的形态是石墨,因为后者比前者稳定。 1967年,人类发现碳原子还有第三种排列方式,能形成比钻石还坚硬的物质。这个物质名叫六方晶系陨石钻石,结构以石墨的六角形平面为基础,只是改为立体构造,据称硬度比钻石高出58%。 第四种排列方式产生了碳纤维,方法是把石墨纺成细丝。细丝织成布料再纵向卷起,就会有极高的强度和硬度。不过它的弱点跟石墨一样,就是仍然要依靠范德华力,但这问题只要用环氧胶保住纤维就可以解决了。于是一种全新的材质就此诞生,那就是碳纤维复合材料。 第五种排列方式产生了富勒烯,发现于蜡烛的烛焰里,烛火内的碳原子会自行集结成超分子,而且都恰好包括60个原子。 第六种排列方式产生了石墨烯,这种物质其实就是只有一层的石墨。石墨烯是世界上最纤薄、最强韧和最坚硬的物质,导热速度比目前已知的所有材料都要快,也比其他物质更能导电。此外,石墨烯还允许克莱因隧穿效应。克莱因隧穿效应是一种奇异的量子效应,物质内电子可以自由通过(隧穿)壁垒,仿佛障碍完全不存在。这表示石墨烯很有潜力成为迷你发电厂,取代硅芯片成为所有数字运算和通信的核心。石墨烯由于只有一层厚度、透明、强韧又易导电,因此也可能成为未来触控界面的首先材料,不仅应用于我们已经习以为常的触控屏幕上,甚至连在物品和建筑上也能应用。 九、精致的瓷器 陶瓷的演变: 陶瓷的故事来自人类把河床的黏土放入火中,发现黏土不只不会变干,还会发生质变,不仅变得坚硬、强韧,而且能塑性做成储藏谷物和取水的容器。没有这些容器,农业和屯垦就不会出现,现有的人类文明也不可能发端。这些朴素的容器在一万年后得到“陶器”的称号。 陶器之所以会出现,是利用结晶的一个特殊性质。黏土是矿物微粒和水的混合物,前者在风和水的侵蚀下基本是极细的结晶。当黏土受热时,水分首先会蒸发,让微粒结晶有如沙煲般推栈在一起,并留下许多孔洞,而在高温之下结晶之间形成原子桥,最后使堆在一起的结晶群变成单一的连续体。这里的高温并不是很高,靠普通的大火或柴炉就行了。不过,陶器充满了孔隙,无法承受高温、容易碎裂。 之后人们为了解决这个问题,在土坯上覆盖一种特别的灰烬,这种灰烬就会在加热时变成玻璃态图层覆盖在陶器表面,把土坯外层的孔洞都封住。这种叫作上釉,能够防止水分渗入,不过仍无法解决瓷砖内部孔隙过多的问题。 两千年前的东汉,陶匠发现了一种特殊配方,包括高岭土和其他矿物质,例如石英和长石,混合成一种白黏土,加热后会变成非常好看的白陶。而将窑火加热到极高的1300度,它白陶就会变成外表如水的固体,那就是瓷。瓷具有强韧、轻盈、优雅和无比光滑的特质。 10、长生不死的植入物 后记 材料科学之美

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