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十分钟读完《迷人的材料》
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本文是《十分钟》栏目的第四篇，由殷建军同学推荐。
以下是《十分钟》栏目的投稿要求：
1. 首先要确定这本书是不是足够好的书：
非虚构类
译本
作者有一定影响力
能在美国亚马逊上买到 Kindle 版的书
多次再版的书可能更好
2. 在缩写图书内容的时候，不应该掺杂个人的看法 —— 个人的读后感，可以放在最后，单独写个 200-300 字的推荐语。
3. 选书非常重要。图书书名、作者、出版社、ISBN 都应完善。文章前面要有作者简介，要有图书购买链接，要有推荐语。
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或，长按别以下二维码转至该表单……
书名：《迷人的材料》
作者：马克 · 米奥多尼克
出版社：北京联合出版公司
ISBN：978-7550-257-610
出版时间：2015 年 9 月
购买链接：https://book.douban.com/subject/26593084/
作者简介：
马克 • 米奥多尼克，伦敦大学学院材料科学教授，伦敦大学学院制成研究中心主任，英国皇家工程学会会士，入选《泰晤士报》「英国百大影响力科学家」。曾担任多部纪录片的主持人，包括英国国家广播公司第二台（BBC2）制作的《发明的天才》。 2010 年，获邀在科普界最负盛名的英国皇家科学院圣诞讲座进行演讲。
推荐语
我们周遭这个人造物的世界，是已知最大的材料学博物馆，你手边的某件东西可能是千年前某次奇思妙想的衍生物，也可能是几年内才被制造出来的新品种。
本书作者 Miodownik 以他在自家天台喝茶的照片为灵感来源，介绍了日常生活中的十种重要材料：钢、纸、混凝土、巧克力、气凝胶、塑料、玻璃、碳材料、陶瓷和医用生物材料。
第一次将材料的科学知识和它们给人的感官感受组合在一起，勾起人无限的好奇心，并从中发现诗意和美。
钢
金属晶体内部存在着微观缺陷，原子会偏离原本完美的堆砌状态，产生“位错”，它是金属能够改变形状的原因。曲别针之所以能够任你弯折，是因为位错在金属内部能以超音速移动。另一方面，为了满足硬度条件，需要限制位错的移动。合金就是这样一种技术，它将其他金属原子嵌入原金属本体之中，扰动了原金属晶体结构，从而到达到限制位错移动而稳定金属形状的目的。
钢不是单质，其主要成分是铁，而掺杂成份不是金属而是碳。早期生产中无法控制碳的比例，偏偏碳比例会严重影响钢的性能，高碳钢硬而脆，低碳钢软而韧。日本匠人在无法控制炼钢品质时，靠经验分辨产品，随后将锐利的高碳钢作为刀刃包裹到低碳钢刀身之上，实现了日本刀的锋利与坚韧。
Bessemer 发明了用空气中的氧和熔铁中的碳反应生成二氧化碳来移除碳元素的方法，从而得以实现钢的量产。但是由于矿石中的碳含量千差万别，靠移除来控制碳比例也非常困难。Mushet 通过先完全除掉碳，再把 1% 的碳掺回去的方法，解决了这个问题。
钢接触到空气和水会发生氧化反应，生成铁锈。对此 Gillette 给出了一个与众不同的解决方案，他生产抛弃式刀刃，避免了磨刀的麻烦。而 Brearley 在进行合金实验时，无意中发现钢中加入的铬会抢着和氧发生反应，在钢管表面产生氧化铬保护层，从而避免生锈，这就是不锈钢。
纸
昂然挺立的树木是纤维素凭借一种有机粘合剂 —— 木质素相互接合，形成的坚硬而强韧的复合体。造纸技术就是对木材进行破碎，并用高温高压蒸煮或者化学法除去木质素制成木浆，也就是液体木材，之后定型制成纸张。
纸张软而强韧，轻薄又易于再加工。加上个硬壳封面，书就成为文字的堡垒，可以守护文字几千年。因此一经发明就替代了竹简成为了文明的载体。人们通过改变添加剂和工艺，可以获取不同色彩、粗糙度和强度的纸以满足各自用途。
纸张有非常适合凹折与弯曲的力学构造。大力折纸会让纤维断裂，产生永久的弯折，但仍有足够的纤维未受损，使得纸张不至于撕开或断裂，这些特点使得纸张成为包装材料，也促成了折纸艺术的出现。
纸钞则是另类的纸，它的材质不是木质纤维素而是纯棉，这让钞票更加坚韧，并且不会在水中分解。防伪所用的水印并不真的是水渍或者墨痕，而是棉的密度发生了变化。
电子时代到来，纸张的阵地缩水，书籍报纸都在数字化，甚至钞票的作用都在减弱。电子纸技术是近些年涌现出的新产品，它将墨水转变为所谓的雅努斯粒子，通过电荷控制墨水粒子旋转来完成文字的切换。尽管有很多优点，但是它缺乏纸的气味、触觉和声音。
混凝土
混凝土要多久才会干？
混凝土永远不会干，因为水是混凝土的一部分。
以碳酸钙为主要成分的石灰石和以硅酸盐为主要成分的黏土，经破碎混合磨细，再经过煅烧后添加助剂，就形成了通常所说的水泥，它的主要成分是不同组成的硅酸钙。加水之后，硅酸钙会形成极似有机分子的晶体结构，并不断生长。生长中的原纤维彼此交错，形成键结锁住水分，当它抓住混合在一起的石块时，就形成了混凝土，当它同时也抓住了能起到增韧效果的钢筋之时，就形成了钢筋混凝土。
以钢筋混凝土之强，依然需要养护，水分和盐分会侵蚀钢筋，使得铁锈在混凝土内部扩散。在混凝土中混入某些特殊的嗜碱细菌以及淀粉就形成了自愈型混凝土。平时，细菌蛰伏于其中，当混凝土破裂，细菌遇水醒来，吃掉淀粉后开始生长和繁殖，并分泌方解石将空隙填满。
最新的发明是自洁净混凝土，其中掺入了二氧化钛粒子，它吸收阳光中的紫外线之后会产生自由基，能够分解粘上它们的有机污垢，让污垢被风雨带走。
巧克力
巧克力是一种神奇的固体饮料，它的成功源自于对可可脂结晶的认识与调控。巧克力的熔点和人体温度接近，保证了它平常能以固体方式存放，而与人体接触时才会熔化。
实际上可可脂的主要成分是甘油三酯，因堆积方式的区别它可以存在多种结晶形式：结晶一和二较软，熔点也只有 16℃，适合撒在冰激淋上；而、结晶三、四较脆，放置后会缓慢转变为结晶五；结晶五是一种密度极高的脂肪结晶，它的存在会让巧克力外表坚硬光滑，然而产生这种晶体却需要费劲地调整材料的热历史并加入晶核。巧克力一旦入口，结晶熔化会吸取相变潜热，带给你些许清凉，从而丰富了口感。
原生的可可豆是苦涩几乎无法下咽的植物，但是经过发酵，烘烤、分离以及混合等过程会发生一系列复杂的化学反应，产生大量具有香气的酯类分子，最后还要混入大量的糖和牛奶来调味，制成口感丰富而独特的产品。再加上其中含有的咖啡因和可可碱对于神经系统有一定作用，使得很多嗜巧克力的朋友永远也戒不掉这种美味。
气凝胶
气凝胶的发明者 Kistler 对果冻很感兴趣，严格说起来果冻不是液体也不算固体，它是困在固体中的液体。明胶分子构成的网格依靠表面张力锁住了液体，因此它柔软而有弹性。
凝胶的固体结构难以分离出来，因为蒸发掉液体的过程中，固体结构会塌缩。Kistler 利用高压釜在“临界温度”以上使得液体转变为永久气体，然后让气体逸散，从而留下了固体的骨架结构。他选择了二氧化硅胶体来进行这个实验，于是得到了世界上最轻的固体。
二氧化硅气凝胶 99.8% 是空气，它有很多神奇的性质，例如表面几乎不会反射光线，因散射作用在暗色前呈现蓝色，而在浅色前会消失不见，从这个角度说，手里拿着一块气凝胶就等于握着一大片天空；再例如他有绝佳的隔热性，效果相当于数量巨大的多层玻璃。
因为质轻、透明以及能很好的吸收能量，气凝胶后来被 NASA 用来收集太空尘。
塑料
作者别出心裁地以电影剧本的形式展现了赛璐璐（硝化纤维素）被发明用来替代象牙制作台球的故事。主要表现了因专利争议、人们接纳程度不一等等这些在每一种新事物出现时都会发生的桥段所带来的戏剧冲突。
然而我个人认为，这个小故事远远表现不了塑料从出现到应用于现代生活各个领域的这百多年来的历程是怎样的蜿蜒曲折。
人造塑料赛璐璐的出现是在 1869 年，然而直到 1920 年 H.Staudinger 发表《论聚合》之前，人们并没有意识到包括橡胶（聚异戊二烯）、电木（酚醛树脂）这些材料是分子量巨大的结构，关于这一概念的争论持续了十多年。1953-54 年，Ziegler-Natta 催化剂的发明和投入使用，使得合成塑料时代全面到来。现在，塑料已经是应用最为广泛的材料之一。
塑料其实是高分子材料的一类，狭义的高分子主要指塑料、橡胶、纤维、涂料以及粘合剂这些工业合成聚合物，广义上还包括生物大分子等物质。
关于塑料和高分子的科普书，推荐董炎明老师写的《奇妙的高分子世界》。
玻璃
当冰块被加热就会变为液态水，而一旦再降温，水分子又会结晶成为冰。当二氧化硅晶体被加热就会形成液态二氧化硅，然而如果进行冷却，它却很难形成晶体，而是生成具有液态结构的二氧化硅固体，也就是玻璃。
二氧化硅的熔点很高，在罗马人用碳酸钠作为“助熔剂”之前，人们一直没有办法大量制造玻璃。直到量产实现，才有了玻璃装饰的建筑，玻璃镜子，玻璃盛装的啤酒。中国在纸、木材、陶瓷和金属方面的发展都远超西方，然而就是玻璃成为了中国独缺的发明。这一差异导致了光学设备的缺失，使得东方人没法“仰望星空”和“明察秋毫”，也没法把白光分成七彩，这才让科技革命的鲜花只在西方盛放。当然，没有玻璃也就没有玻璃仪器，古代“炼丹术”也就没有发展成为化学。
玻璃的安全性是个问题，于是人们用骤冷的办法制备了钢化玻璃，表层的收缩使得所有原子往内挤，从而使得裂缝难以生成。而在玻璃中添加一种特殊的塑料，会使得玻璃在破碎时也不会发生散裂，并且更容易分散冲击力，这也就是防弹玻璃的机理。
至于玻璃为什么是透明的，可以看看从本书中提炼出来的 TED-Ed 视频：
碳材料
碳有很多种单质状态，我们最熟悉的莫过于金刚石和石墨。硬度奇高、色泽晶莹的钻石不但价格不菲而且被人视为“永恒”的象征，在拉瓦锡把它在真空中烧成灰烬之前，没有人相信它和石墨一样都是纯粹由碳构成的，说起来更加恒久的石墨却因为卖相问题反而没有走成高端路线。
由于飞机制造的潜在需求，工程师一直在寻找比铝更轻但是更坚固的材料，于是碳纤维应运而生，不但满足密度和强度的要求，还拥有耐腐蚀等优点，在军工和民用领域都有应用。如今除了飞机制造业，可能碳纤维应用最广泛的产业就是体育产业。
碳纳米管像是迷你的碳纤维，它是世界上强度重量比最高的物质，因此被人们设想用来制作太空电梯。还有一种神奇的碳排列形式是 C60，也称足球烯或者富勒烯，它的发现者 Kroto 教授在 1996 年被授予了诺奖，后来 C60 被应用在光电领域的很多研究方向。
单层的石墨 —— 石墨烯，具有透明、纤薄、强韧又易导电的特点，是未来触控界面材料的首选。他的发现者海姆（Andre Geim）教授制备石墨烯的方法非常神奇，他使用胶条不断重复黏贴和撕扯石墨晶体，由于石墨层之间的范德华相互作用能量较弱，在这种撕扯中最终会得到单层的二维结构。海姆教授是唯一得过诺奖且得过搞笑诺奖的科学家，思路果然不同寻常。
陶瓷
陶瓷，其实可以分成“陶”和“瓷”。
陶出现在在人类文明的开端，人们把河床中的黏土在火中烧制成形，制成可以储存谷物和取水而质地坚硬的容器，陶器的发明为农业和屯垦的出现打下了基础。河床中的黏土本质上是矿物微粒和水的混合物。当受热时，水分蒸发，微粒结晶堆积变得紧凑，结晶边缘和表面的原子“活力”比内部要高，它们会和周遭其他晶粒发生作用，使得堆积结构逐渐发生键合，最后变成连续体。
陶器都是有孔隙的，这是气体逸出时造成的，对于要反复承受烹调的器皿来说，孔洞很容易造成破裂。中国人创造性地解决了这个问题，他们在晶体相和气相中又加入了玻璃相。在烧制过程中，在土坯的配方中加入高岭土和其他一些矿物质，于是加热时在晶体相之间出现了流动的玻璃相，它渗入内部的气孔，并覆盖了每一寸表面，能够明显改善防水性并提升制品的强度，这样就得到了瓷器。制备精良的瓷器在敲击时会发出清脆的回音，这是玻璃浆在烧制过程中填满孔隙的验证。
本书没有提到现代陶瓷的发展，实际上金属氧化物甚至氮化物碳化物的烧结过程都称之为制备陶瓷材料，陶瓷的用途也远超容器的范围，除了各种结构型陶瓷作轴承、阀门等用途，也有很多功能型陶瓷如超导陶瓷出现在高科技领域。
医用植入物
石膏算是比较常见的医用材料，熟石膏是石膏脱水形成的陶土，掺水后会再次硬化，使用时加入绷带，其棉质纤维会强化石膏，使单独使用时呈现脆性的石膏变得强韧许多。
相比而言，牙科填充物大家就不太熟悉了。早期使用的那种精光闪闪的龋齿填充物其实是汞合金，现在一般都是用光固化树脂。而拔掉蛀牙后会换成瓷牙或者氧化锆牙，它们比树脂更耐磨。
钛合金是极少数完全不与人体发生作用，而可以用作金属植入物不被排斥的材料，常用作骨钉和关节替换用的材料。想要避免关节置换手术，就需要重建软骨这种复杂的活体组织，目前正在尝试的方法是植入“组织工程”材料做成骨架，在其中通过软骨胚细胞培养来让软骨重新生长。有时候需要在体外完成培养，这就需要用 3D 打印技术制备中空的组织工骨架，这种逐层打印的加工技术在制备复杂结构方面有明显的优势。生物神经机械则是科学家的又一种尝试，电子机械设备可以接收大脑向四肢发出的脉冲信号，使义肢进行动作。
生物医用材料无法解决生死的危局，但是可以提高生命的质量。
后记
如果灭世了，只能留一句话给后人，帮助他们构建科技文明，费曼会说：
一切都是原子构成的。
万物在这个尺度下都拥有相似的结构，然而原子种类有限，而我们所知的材料却多到难以计数，这是由于不同尺度的结构组合会得到非常不同的材料。
钻石、石墨和碳纳米管的差异不在原子，而在于原子的排列方式。由一百个左右的原子堆叠而成的骨架结构就是纳米尺度，重力作用此时非常微弱，而静电力和表面张力发挥主要作用，这也是很多纳米结构能够自行生成的原因；到了微观尺度，出现的就是生物细胞、纤维素这种结构了，巧克力就是通过这个层级的改变来修正它的口感，硅芯片技术、光与物质的相互作用也发生在这个尺度之下；介观尺度在肉眼可见的临界点上，从陶到瓷的变化就发生在这里；袖珍尺度是肉眼刚巧可见的大小，我们对材料质地的感受往往源于此；而人的尺度则是之前所有结构的集大成者。
人类研究其内在构造，从而推动材料科学发展，而材料以多尺度的结构展现了人类的历史、需求与思想理念。
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