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迷人的材料：10種改變世界的神奇物質和它們背后的科學故事
發布人：上海艾荔艾合金股份有限公司www.shailiai.cn
更新時間：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種改變世界的物質和它們背后的故事。這10種物質分別是：鋼（steel）、紙（paper）、混凝土（concrete）、巧克力（chocolate）、發泡材料（foam）、塑料（plastic）、玻璃（glass）、碳材料（carbon）、瓷器（porcelain）、植入物（implant）。
2014年英國皇家學會科學圖書獎
Amazon 2014年度科學類選書
《物理世界》2014年推薦最佳科普書
《紐約時報》2014年最值得閱讀的一百本書之一
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看到這個題目你也許會覺得這是一部充滿了雞湯和贊美之詞的科普書籍，并沒有什么新奇。先不要急著下結論，首先讓我們看看一副來自本書的插圖：
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作者在自家屋頂喝茶
?作者在自家屋頂喝茶
你也許會覺得這不就是一張很普通的生活照嗎，和材料有什么聯系？當你看完這本書，這樣的疑問或許就會打消，今天曉fire就和大家聊聊這本書。
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首先讓我們認識一下本書作者：馬克·米奧多尼克（Mark Miodownik），倫敦大學學院材料科學教授，英國皇家工程學會會士，《泰晤士報》評選的「英國百大影響力科學家」。 2010年，他獲邀在科普界最負盛名的英國皇家科學院圣誕講座進行演講。他在倫敦大學學院有一個材料館，收藏了世界上最神奇的一些物質。
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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種改變世界的物質和它們背后的故事。
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這10種物質分別是：鋼（steel）、紙（paper）、混凝土（concrete）、巧克力（chocolate）、發泡材料（foam）、塑料（plastic）、玻璃（glass）、碳材料（carbon）、瓷器（porcelain）、植入物（implant）。接下來，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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北京鳥巢
?北京鳥巢
說鋼估計材料人都會不自覺的想起那張鐵碳相圖（要背下來，有木有），當然作者沒有這么變態，他要給我們聊些輕松的。
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從石器時代、黃銅時代、青銅時代再到鐵器時代，人類對材料認識和使用經歷了一個漫長的過程：
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| 時期 | 代表材料 | 材料缺點 | 材料優點 | 典型應用 |
| 石器時代 | 燧石、木頭和獸骨 | 強度低，塑韌性差 | 易取得，工藝簡單 | _ |
| 銅器時代 | 黃銅（后期青銅） | 硬度低 | 塑性高 | 埃及金字塔 |
| 鐵器時代 | 鐵、鋼 | 工藝復雜，難掌控 | 強硬度和塑韌性可兼顧 | 日本武士刀 |
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?除了上表中的發展過程，在本章你還會了解到有關鋼的各種有趣歷史事件，包括貝塞麥法掀起的的工業革命、吉列剃須刀的故事以及世界上第一塊不銹鋼的發現。當然，在了解歷史之余，你也可以將材科的基礎知識在腦中進行簡單的回憶總結。
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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
說到紙，大家都不會陌生，讀書、寫作、包裝、清潔、支付等等諸如此類的活動我們都離不開紙，雖然隨著電子信息革命的到來，無紙化辦公和支付的理念已經提出，但要讓紙真的退出我們的生活卻也是漫漫無期。
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紙，其實是由一大群極微小的纖維壓疊而成，微觀看來就如同干草堆那樣，宏觀上確實平整光滑。一般紙的工藝流程如下：
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當然，這只是一般紙張的生產工藝，具體到各類不同用紙，還有各種不同的問題，比如黑白相紙上涂有含鹵化銀的凝膠，收據用紙會預涂酸劑和無色燃料等等。除了這些工藝，你有沒有想過紙張為什么放久了會變黃？鈔票用紙會和普通用紙有什么區別？相信看完這章內容你都會找到答案。
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3、作為基礎的混凝土（concrete）
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羅馬萬神殿穹頂是至今仍是世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂建筑
我個人認為這種材料真的堪稱史上最重要的材料之一，如果沒有它的出現，也許我們到現在都無法解決幾十億人口的居住問題，更不要說那么多人類建筑史上的奇觀了。
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混凝土的生產工藝是十分復雜的，涉及很多的物質比例問題，這里曉fire只將工藝流程做一個簡單總結：
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除了工藝外，在本章最后兩節馬克還針對混凝土存在受磨損、侵蝕的問題向大家介紹了自愈、自潔混凝土的概念及應用。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觸媒轉換器，減少空氣中氮氧化物。嗯，聽起來很對我們現在城市環境的胃口。有興趣的同學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
不得不說我是留著口水看完這章的，我腦中頻繁顯現著德芙，費耶羅，還有那句廣告詞：“餓貨，快來條士力架吧！”⊙﹏⊙‖好了，回歸正題。其實這章的核心內容非常簡單：一種材料，幾個反應。
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首先讓我們來認識一種材料：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，也是高級面霜和乳液的基本成分。沒錯，每天我們放進嘴里的和涂在臉上的東西在材料人看來是一回事。選擇可可脂是因為它具備熔點接近人體，能形成結晶兩個優點。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晶。本章介紹了結晶一號到五號，其中結晶五號是密度極高的脂肪結晶，熔點達34℃，這也就是大多數巧克力制造商希望制出的結晶。
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接下來讓我們看看可可豆內成分是怎樣轉變為巧克力味的必要元素的。已采摘的可可豆種子放在地上，任由其腐爛發酵，這期間可可豆里的酶讓酸與乙醇發生酯化反應，成分比例、環境溫度和氧含量都是反應的關鍵，也是商業機密。接下來要做的就是曬干和烘焙，讓可可豆內發生焦糖化過程，該過程中，長鏈狀糖分子會斷成許多截，小的直接蒸發形成了好聞的氣味，而大的保留下來，內部形成“碳雙鍵”，成為焦糖化的糖呈黃棕色的原因。當溫度更高時，會伴隨有梅納反應，繼續影響可可豆的顏色氣味。
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當然，如果你想了解的更詳細，可以詳細看看這章。
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5、不可思議的發泡材料（foam）
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二氧化硅氣凝膠保護花朵不被煤氣燈燒焦
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二氧化硅氣凝膠保護花朵不被煤氣燈燒焦
果凍和氣凝膠有什么聯系？二氧化硅氣凝膠有什么性質和用途？這就是馬克在本章要給我們介紹的內容。
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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，或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀，這即為干凝膠，也稱為氣凝膠。
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氣凝膠是一個名叫契史特勒（Samuel Kistler）的美國人在20世紀30年代發明的，他發明氣凝膠純粹出于對果凍的興趣。他想知道果凍內看不到的明膠網格是不是一個整體？如將液體移走網格是否能依然存在？他研究的的結論是：液體與網格相互獨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釜內用氣體代替液體，制出了當時世界上最輕的固體：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《自然》科學期刊，3211號，卷127,741頁）。
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二氧化硅氣凝膠具有的一些獨特的性質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，正因為如此，為宇宙飛船、零件輕量化提供了思路。
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（2）阻熱性好。1997年首次應用于火星探路者號，從此成為宇宙飛船標準絕熱材料。
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（3）單位體積可吸收大量能量。星辰號太空捕捉塵埃。
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6、透明的玻璃（glass） ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
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貝聿銘設計建造的玻璃金字塔
下面，讓我們看一段TED-Ed的短片，它能夠對我們本章的內容做一個較好的闡釋：
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7、堅不可摧的碳材料（carbon）
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幾類碳材料的微觀結構
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本章從馬克在曼徹斯特大學物理系與全球頂尖碳專家海姆（Andre Geim）教授的會面開始，講述了鉆石、石墨、碳纖維、碳納米管以及石墨烯5種碳材料的結構和用途。
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鉆石是我們每個人都很熟悉的物質，碳原子最外層四個電子分別與另一個碳原子配對，形成四個化學鍵，這樣的結構可以化解四個電子活性，形成非常穩固的化學結構。鉆石的應用自不用說，每個求婚的男士怕是都需要它。
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石墨構造與鉆石完全不相同，石墨是碳原子以六角形聯結而成的層狀結構，每個碳原子與另外三個碳原子共享四個電子，層間以“范德華力”聯結。因此石墨具有非常柔軟的特點，此外石墨還具有可導電，耐高溫的特點。
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碳纖維是將石墨紡成細絲，細絲織成布料再縱向卷起，就會具有極高的強度和硬度，外層用環氧樹脂包覆克服了范德華力較弱的缺點，形成了碳纖維復合材料。這種復合材料在當今的飛機制造、賽車競技以及太空探索中發揮著舉足輕重的作用。
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碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。
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石墨烯的發現者之一海姆當著馬克的面，用幾條小膠帶和一塊兒石墨制備出了世界上最纖薄、最強韌和最堅硬的物質石墨烯。石墨烯具有導電、導熱快以及電阻小的特點，還允許克萊因隧穿效應。
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講到這里，還記得開篇提到的作者在自家屋頂喝茶的生活照嗎？
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此時，這張照片已經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。覺得科研乏味無聊時，不妨翻翻這本《迷人的材料》，也許它能帶給你一點啟發，至少帶給你一些趣味。
7、堅不可摧的碳材料（carbon）
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幾類碳材料的微觀結構
本章從馬克在曼徹斯特大學物理系與全球頂尖碳專家海姆（Andre Geim）教授的會面開始，講述了鉆石、石墨、碳纖維、碳納米管以及石墨烯5種碳材料的結構和用途。
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鉆石是我們每個人都很熟悉的物質，碳原子最外層四個電子分別與另一個碳原子配對，形成四個化學鍵，這樣的結構可以化解四個電子活性，形成非常穩固的化學結構。鉆石的應用自不用說，每個求婚的男士怕是都需要它。
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石墨構造與鉆石完全不相同，石墨是碳原子以六角形聯結而成的層狀結構，每個碳原子與另外三個碳原子共享四個電子，層間以“范德華力”聯結。因此石墨具有非常柔軟的特點，此外石墨還具有可導電，耐高溫的特點。
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碳纖維是將石墨紡成細絲，細絲織成布料再縱向卷起，就會具有極高的強度和硬度，外層用環氧樹脂包覆克服了范德華力較弱的缺點，形成了碳纖維復合材料。這種復合材料在當今的飛機制造、賽車競技以及太空探索中發揮著舉足輕重的作用。
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碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。
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石墨烯的發現者之一海姆當著馬克的面，用幾條小膠帶和一塊兒石墨制備出了世界上最纖薄、最強韌和最堅硬的物質石墨烯。石墨烯具有導電、導熱快以及電阻小的特點，還允許克萊因隧穿效應。
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講到這里，還記得開篇提到的作者在自家屋頂喝茶的生活照嗎？
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此時，這張照片已經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。覺得科研乏味無聊時，不妨翻翻這本《迷人的材料》，也許它能帶給你一點啟發，至少帶給你一些趣味。
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