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迷人的材料：10種改變世界的神奇物質(zhì)和它們背后的科學(xué)故事
發(fā)布人：上海艾荔艾合金股份有限公司www.shailiai.cn
更新時(shí)間：2016-01-15
《迷人的材料》從作者在自家屋頂喝茶的生活照入手，講述了10種改變世界的物質(zhì)和它們背后的故事。這10種物質(zhì)分別是：鋼（steel）、紙（paper）、混凝土（concrete）、巧克力（chocolate）、發(fā)泡材料（foam）、塑料（plastic）、玻璃（glass）、碳材料（carbon）、瓷器（porcelain）、植入物（implant）。
2014年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)科學(xué)圖書(shū)獎(jiǎng)
Amazon 2014年度科學(xué)類選書(shū)
《物理世界》2014年推薦最佳科普書(shū)
《紐約時(shí)報(bào)》2014年最值得閱讀的一百本書(shū)之一
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看到這個(gè)題目你也許會(huì)覺(jué)得這是一部充滿了雞湯和贊美之詞的科普書(shū)籍，并沒(méi)有什么新奇。先不要急著下結(jié)論，首先讓我們看看一副來(lái)自本書(shū)的插圖：
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作者在自家屋頂喝茶
?作者在自家屋頂喝茶
你也許會(huì)覺(jué)得這不就是一張很普通的生活照嗎，和材料有什么聯(lián)系？當(dāng)你看完這本書(shū)，這樣的疑問(wèn)或許就會(huì)打消，今天曉fire就和大家聊聊這本書(shū)。
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首先讓我們認(rèn)識(shí)一下本書(shū)作者：馬克·米奧多尼克（Mark Miodownik），倫敦大學(xué)學(xué)院材料科學(xué)教授，英國(guó)皇家工程學(xué)會(huì)會(huì)士，《泰晤士報(bào)》評(píng)選的「英國(guó)百大影響力科學(xué)家」。 2010年，他獲邀在科普界最負(fù)盛名的英國(guó)皇家科學(xué)院圣誕講座進(jìn)行演講。他在倫敦大學(xué)學(xué)院有一個(gè)材料館，收藏了世界上最神奇的一些物質(zhì)。
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《迷人的材料》從作者在自家屋頂喝茶的生活照入手，講述了10種改變世界的物質(zhì)和它們背后的故事。
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這10種物質(zhì)分別是：鋼（steel）、紙（paper）、混凝土（concrete）、巧克力（chocolate）、發(fā)泡材料（foam）、塑料（plastic）、玻璃（glass）、碳材料（carbon）、瓷器（porcelain）、植入物（implant）。接下來(lái)，讓我們就幾種典型材料走入馬克·米奧多尼克所講述的材料世界。
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1、不屈不撓的鋼（steel）
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北京鳥(niǎo)巢
?北京鳥(niǎo)巢
說(shuō)鋼估計(jì)材料人都會(huì)不自覺(jué)的想起那張鐵碳相圖（要背下來(lái)，有木有），當(dāng)然作者沒(méi)有這么變態(tài)，他要給我們聊些輕松的。
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從石器時(shí)代、黃銅時(shí)代、青銅時(shí)代再到鐵器時(shí)代，人類對(duì)材料認(rèn)識(shí)和使用經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程：
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| 時(shí)期 | 代表材料 | 材料缺點(diǎn) | 材料優(yōu)點(diǎn) | 典型應(yīng)用 |
| 石器時(shí)代 | 燧石、木頭和獸骨 | 強(qiáng)度低，塑韌性差 | 易取得，工藝簡(jiǎn)單 | _ |
| 銅器時(shí)代 | 黃銅（后期青銅） | 硬度低 | 塑性高 | 埃及金字塔 |
| 鐵器時(shí)代 | 鐵、鋼 | 工藝復(fù)雜，難掌控 | 強(qiáng)硬度和塑韌性可兼顧 | 日本武士刀 |
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?除了上表中的發(fā)展過(guò)程，在本章你還會(huì)了解到有關(guān)鋼的各種有趣歷史事件，包括貝塞麥法掀起的的工業(yè)革命、吉列剃須刀的故事以及世界上第一塊不銹鋼的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，在了解歷史之余，你也可以將材科的基礎(chǔ)知識(shí)在腦中進(jìn)行簡(jiǎn)單的回憶總結(jié)。
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2、值得信賴的紙（paper）
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生活中各種各樣的紙
說(shuō)到紙，大家都不會(huì)陌生，讀書(shū)、寫(xiě)作、包裝、清潔、支付等等諸如此類的活動(dòng)我們都離不開(kāi)紙，雖然隨著電子信息革命的到來(lái)，無(wú)紙化辦公和支付的理念已經(jīng)提出，但要讓紙真的退出我們的生活卻也是漫漫無(wú)期。
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紙，其實(shí)是由一大群極微小的纖維壓疊而成，微觀看來(lái)就如同干草堆那樣，宏觀上確實(shí)平整光滑。一般紙的工藝流程如下：
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當(dāng)然，這只是一般紙張的生產(chǎn)工藝，具體到各類不同用紙，還有各種不同的問(wèn)題，比如黑白相紙上涂有含鹵化銀的凝膠，收據(jù)用紙會(huì)預(yù)涂酸劑和無(wú)色燃料等等。除了這些工藝，你有沒(méi)有想過(guò)紙張為什么放久了會(huì)變黃？鈔票用紙會(huì)和普通用紙有什么區(qū)別？相信看完這章內(nèi)容你都會(huì)找到答案。
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3、作為基礎(chǔ)的混凝土（concrete）
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羅馬萬(wàn)神殿穹頂是至今仍是世界上最大的無(wú)鋼筋混凝土圓頂建筑
我個(gè)人認(rèn)為這種材料真的堪稱史上最重要的材料之一，如果沒(méi)有它的出現(xiàn)，也許我們到現(xiàn)在都無(wú)法解決幾十億人口的居住問(wèn)題，更不要說(shuō)那么多人類建筑史上的奇觀了。
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混凝土的生產(chǎn)工藝是十分復(fù)雜的，涉及很多的物質(zhì)比例問(wèn)題，這里曉fire只將工藝流程做一個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié)：
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除了工藝外，在本章最后兩節(jié)馬克還針對(duì)混凝土存在受磨損、侵蝕的問(wèn)題向大家介紹了自愈、自潔混凝土的概念及應(yīng)用。尤其是摻入了二氧化鈦的自潔混凝土，不僅可以分解自身污垢還可以充當(dāng)觸媒轉(zhuǎn)換器，減少空氣中氮氧化物。嗯，聽(tīng)起來(lái)很對(duì)我們現(xiàn)在城市環(huán)境的胃口。有興趣的同學(xué)還可以去深入了解一下。
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4、美味的巧克力（chocolate）
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美味巧克力
不得不說(shuō)我是留著口水看完這章的，我腦中頻繁顯現(xiàn)著德芙，費(fèi)耶羅，還有那句廣告詞：“餓貨，快來(lái)?xiàng)l士力架吧！”⊙﹏⊙‖好了，回歸正題。其實(shí)這章的核心內(nèi)容非常簡(jiǎn)單：一種材料，幾個(gè)反應(yīng)。
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首先讓我們來(lái)認(rèn)識(shí)一種材料：可可脂。可可脂是植物界最精致的油脂之一。不僅可以做巧克力的基底，也是高級(jí)面霜和乳液的基本成分。沒(méi)錯(cuò)，每天我們放進(jìn)嘴里的和涂在臉上的東西在材料人看來(lái)是一回事。選擇可可脂是因?yàn)樗邆淙埸c(diǎn)接近人體，能形成結(jié)晶兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。可可脂的主要成分為甘油三酯大分子，它以不同形式堆棧形成多種結(jié)晶。本章介紹了結(jié)晶一號(hào)到五號(hào)，其中結(jié)晶五號(hào)是密度極高的脂肪結(jié)晶，熔點(diǎn)達(dá)34℃，這也就是大多數(shù)巧克力制造商希望制出的結(jié)晶。
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接下來(lái)讓我們看看可可豆內(nèi)成分是怎樣轉(zhuǎn)變?yōu)榍煽肆ξ兜谋匾氐摹Ｒ巡烧目煽啥狗N子放在地上，任由其腐爛發(fā)酵，這期間可可豆里的酶讓酸與乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)，成分比例、環(huán)境溫度和氧含量都是反應(yīng)的關(guān)鍵，也是商業(yè)機(jī)密。接下來(lái)要做的就是曬干和烘焙，讓可可豆內(nèi)發(fā)生焦糖化過(guò)程，該過(guò)程中，長(zhǎng)鏈狀糖分子會(huì)斷成許多截，小的直接蒸發(fā)形成了好聞的氣味，而大的保留下來(lái)，內(nèi)部形成“碳雙鍵”，成為焦糖化的糖呈黃棕色的原因。當(dāng)溫度更高時(shí)，會(huì)伴隨有梅納反應(yīng)，繼續(xù)影響可可豆的顏色氣味。
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當(dāng)然，如果你想了解的更詳細(xì)，可以詳細(xì)看看這章。
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5、不可思議的發(fā)泡材料（foam）
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二氧化硅氣凝膠保護(hù)花朵不被煤氣燈燒焦
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二氧化硅氣凝膠保護(hù)花朵不被煤氣燈燒焦
果凍和氣凝膠有什么聯(lián)系？二氧化硅氣凝膠有什么性質(zhì)和用途？這就是馬克在本章要給我們介紹的內(nèi)容。
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氣凝膠（aerogel），又稱為干凝膠。大部分溶劑脫去后，凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀，這即為干凝膠，也稱為氣凝膠。
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氣凝膠是一個(gè)名叫契史特勒（Samuel Kistler）的美國(guó)人在20世紀(jì)30年代發(fā)明的，他發(fā)明氣凝膠純粹出于對(duì)果凍的興趣。他想知道果凍內(nèi)看不到的明膠網(wǎng)格是不是一個(gè)整體？如將液體移走網(wǎng)格是否能依然存在？他研究的的結(jié)論是：液體與網(wǎng)格相互獨(dú)立且可以替換成其它液體。緊接著，他與其它兩位合作人提出用在高壓反應(yīng)釜內(nèi)用氣體代替液體，制出了當(dāng)時(shí)世界上最輕的固體：二氧化硅氣凝膠。隨后他又做出了其他的氣凝膠，其中包括蛋白氣凝膠，全世界最輕的蛋白霜。（論文見(jiàn)《自然》科學(xué)期刊，3211號(hào)，卷127,741頁(yè)）。
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二氧化硅氣凝膠具有的一些獨(dú)特的性質(zhì)也讓其擁有了特殊的用途
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（1）密度低。其密度僅為空氣的3倍多一點(diǎn)，正因?yàn)槿绱耍瑸橛钪骘w船、零件輕量化提供了思路。
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（2）阻熱性好。1997年首次應(yīng)用于火星探路者號(hào)，從此成為宇宙飛船標(biāo)準(zhǔn)絕熱材料。
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（3）單位體積可吸收大量能量。星辰號(hào)太空捕捉塵埃。
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6、透明的玻璃（glass） ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
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貝聿銘設(shè)計(jì)建造的玻璃金字塔
下面，讓我們看一段TED-Ed的短片，它能夠?qū)ξ覀儽菊碌膬?nèi)容做一個(gè)較好的闡釋：
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7、堅(jiān)不可摧的碳材料（carbon）
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幾類碳材料的微觀結(jié)構(gòu)
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本章從馬克在曼徹斯特大學(xué)物理系與全球頂尖碳專家海姆（Andre Geim）教授的會(huì)面開(kāi)始，講述了鉆石、石墨、碳纖維、碳納米管以及石墨烯5種碳材料的結(jié)構(gòu)和用途。
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鉆石是我們每個(gè)人都很熟悉的物質(zhì)，碳原子最外層四個(gè)電子分別與另一個(gè)碳原子配對(duì)，形成四個(gè)化學(xué)鍵，這樣的結(jié)構(gòu)可以化解四個(gè)電子活性，形成非常穩(wěn)固的化學(xué)結(jié)構(gòu)。鉆石的應(yīng)用自不用說(shuō)，每個(gè)求婚的男士怕是都需要它。
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石墨構(gòu)造與鉆石完全不相同，石墨是碳原子以六角形聯(lián)結(jié)而成的層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子與另外三個(gè)碳原子共享四個(gè)電子，層間以“范德華力”聯(lián)結(jié)。因此石墨具有非常柔軟的特點(diǎn)，此外石墨還具有可導(dǎo)電，耐高溫的特點(diǎn)。
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碳纖維是將石墨紡成細(xì)絲，細(xì)絲織成布料再縱向卷起，就會(huì)具有極高的強(qiáng)度和硬度，外層用環(huán)氧樹(shù)脂包覆克服了范德華力較弱的缺點(diǎn)，形成了碳纖維復(fù)合材料。這種復(fù)合材料在當(dāng)今的飛機(jī)制造、賽車競(jìng)技以及太空探索中發(fā)揮著舉足輕重的作用。
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碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。
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石墨烯的發(fā)現(xiàn)者之一海姆當(dāng)著馬克的面，用幾條小膠帶和一塊兒石墨制備出了世界上最纖薄、最強(qiáng)韌和最堅(jiān)硬的物質(zhì)石墨烯。石墨烯具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱快以及電阻小的特點(diǎn)，還允許克萊因隧穿效應(yīng)。
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講到這里，還記得開(kāi)篇提到的作者在自家屋頂喝茶的生活照嗎？
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此時(shí)，這張照片已經(jīng)不再僅僅是一張生活照了，它可以被看做是各種材料的集合。生活即材料，材料即生活。覺(jué)得科研乏味無(wú)聊時(shí)，不妨翻翻這本《迷人的材料》，也許它能帶給你一點(diǎn)啟發(fā)，至少帶給你一些趣味。
7、堅(jiān)不可摧的碳材料（carbon）
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幾類碳材料的微觀結(jié)構(gòu)
本章從馬克在曼徹斯特大學(xué)物理系與全球頂尖碳專家海姆（Andre Geim）教授的會(huì)面開(kāi)始，講述了鉆石、石墨、碳纖維、碳納米管以及石墨烯5種碳材料的結(jié)構(gòu)和用途。
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鉆石是我們每個(gè)人都很熟悉的物質(zhì)，碳原子最外層四個(gè)電子分別與另一個(gè)碳原子配對(duì)，形成四個(gè)化學(xué)鍵，這樣的結(jié)構(gòu)可以化解四個(gè)電子活性，形成非常穩(wěn)固的化學(xué)結(jié)構(gòu)。鉆石的應(yīng)用自不用說(shuō)，每個(gè)求婚的男士怕是都需要它。
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石墨構(gòu)造與鉆石完全不相同，石墨是碳原子以六角形聯(lián)結(jié)而成的層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子與另外三個(gè)碳原子共享四個(gè)電子，層間以“范德華力”聯(lián)結(jié)。因此石墨具有非常柔軟的特點(diǎn)，此外石墨還具有可導(dǎo)電，耐高溫的特點(diǎn)。
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碳纖維是將石墨紡成細(xì)絲，細(xì)絲織成布料再縱向卷起，就會(huì)具有極高的強(qiáng)度和硬度，外層用環(huán)氧樹(shù)脂包覆克服了范德華力較弱的缺點(diǎn)，形成了碳纖維復(fù)合材料。這種復(fù)合材料在當(dāng)今的飛機(jī)制造、賽車競(jìng)技以及太空探索中發(fā)揮著舉足輕重的作用。
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碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。
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石墨烯的發(fā)現(xiàn)者之一海姆當(dāng)著馬克的面，用幾條小膠帶和一塊兒石墨制備出了世界上最纖薄、最強(qiáng)韌和最堅(jiān)硬的物質(zhì)石墨烯。石墨烯具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱快以及電阻小的特點(diǎn)，還允許克萊因隧穿效應(yīng)。
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講到這里，還記得開(kāi)篇提到的作者在自家屋頂喝茶的生活照嗎？
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此時(shí)，這張照片已經(jīng)不再僅僅是一張生活照了，它可以被看做是各種材料的集合。生活即材料，材料即生活。覺(jué)得科研乏味無(wú)聊時(shí)，不妨翻翻這本《迷人的材料》，也許它能帶給你一點(diǎn)啟發(fā)，至少帶給你一些趣味。
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