迷人的材料

这本书放在「书架」上已经有段时间了,偶尔翻开过一次,直到在沙溪的一家客栈的书架上再次看到这本书。

可能觉得「材料」离自己较远,平时也没什么体感,所以没有那么强的冲动去看完这本书,其实材料与人类文明的发展息息相关,比如钢作为维多利亚时代的关键原料,做出了吊桥、铁路、蒸汽机;材料科学的突破带来了硅芯片和信息革命;聚合物制造而成的赛璐珞催生了电影的诞生等等。很多我们现在习以为常的事物背后可能都有一段值得被记录的历史。

在讲某一类材料时,通常会结合很多历史,比如建造金字塔用的岩石都是从矿场挖出来的,再用铜凿子一块块削成固定大小。据估计,古埃及人挖掘了大约一万吨铜矿,制造出三十万把铜凿子。这个场面想想就很壮观。

文中讲了生活中常见的 10 种材料,连巧克力都有涉及。了解这些材料的性状、背后的故事,可能会发现身边事物的另一种美。

老化不是由于细胞老了,而是因为制造细胞的系统退化了。老化就像以讹传讹,下一代细胞无法重建上一代遗传下来的结构,使得错误和瑕疵有机可乘。我的肌肤老化不是因为肌肤细胞 43 岁了,完全不是。成人干细胞会一直生成新的细胞取代旧的细胞。肌肤老化是因为肌肤结构会出现错误和瑕疵,传递给下一代细胞,使皮肤开始出现斑点、皱纹并变薄。这些劣化会代代延续下去。

由于中国瓷器远优于其他陶器,使得中东和西方的商人一眼就晓得这些瓷器是多么有价值的商品。他们不仅引进瓷器,连品茶文化也一并引入中东和西方,使得瓷和品茶成为宣扬中国文化的代表,所到之处无不风靡。当时欧洲人还在使用木杯、锡杯、银器和陶杯,瓷器充分显现出中国在工艺技术上超出其他文明甚多。用上等瓷器招待客人品尝上等中国茶,立刻让你身价不凡。于是这个称为“白金”的精巧白瓷很快就成为庞大的生意。

他们显然试过各种混合,最后终于发现一种特殊配方,成分包括高岭土和一些其他矿物质,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。这种陶并不比土器强韧,但和之前已知的黏土不同,只要把窑火加热到极高的 1300℃,它就会发生奇怪的变化,成为外表如水的固体。这种白陶的表面近乎完全光滑,可以说是世上可见的最美的陶瓷,而且强度和硬度都远超其他陶瓷。由于强度极高,它可以制成极薄的杯碗,几乎和纸一样薄,却依然不容易产生裂痕。做出来的杯子近乎透明,相当细致。它就是瓷。

由于造瓷需要丰富的知识与技术,要能找到适当的矿物比例并建造可以产生高温的陶窑,瓷成为技巧与艺术完美结合的象征。瓷很快便从中国的骄傲变成了中国的图腾,成为国力的展现。自此之后,中国历朝历代都会有自己的官窑。

东方的陶匠最先解决了陶器多孔和易碎的问题。首先,他们发现只要在土坯上覆盖一种特别的灰烬,这些灰烬就会在加热时变成玻璃态涂层附着在陶器表面,把土坯外层的孔洞都封住。改变釉粉的成分与上釉部位,就能为陶器上色和装饰。这不仅能让陶器防水,更开启了陶器装饰的新境界。

简单来说,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快,也比其他物质更能载电,导电更快、电阻更小。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量子效应,物质内的电子可以自由通过(隧穿)势垒,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。

石墨烯纤薄、透明、强韧又易导电,因此也可能成为未来触控界面的首选材料,不仅能用在我们已经习以为常的触控屏幕上,甚至在物品和建筑上也能应用。不过,石墨烯最出名也最古怪的一点,就是它是二维材料。它当然有厚度,只不过就只能这么厚,薄一点或厚一点就不是石墨烯了。海姆的团队展示了这一点。加上一层碳原子到石墨烯上,它就会变回石墨;取走一层碳原子就什么也不剩。

既然这些新的碳原子排列方式都以石墨的六角形结构为基础,而石墨本身又是一层层六角形平面堆栈而成的,那为何石墨不是我们在找的魔术材料?答案是,六角形平面状的石墨层太容易彼此松动,使得石墨非常脆弱。但要是只有一层石墨层呢?那会是什么状况?

海姆的团队拿到诺贝尔奖不是因为做出了单层石墨,而是发现单层石墨的性质非常特别,就算放在纳米世界中也一样奇特,应该将它视为一种新材质,并且取个名字。他们决定叫它“石墨烯”。

1985 年,克洛图(Harold Kroto)教授的研究团队发现烛火内的碳原子竟然会自行集结成超分子,而且都恰好包含 60 个原子。这些超分子外观有如巨大的足球,而建筑师巴克敏斯特·富勒正好设计过结构相同的六角网格球顶,因此这些超分子也被称为“富勒烯”。克洛图的研究团队因为这项发现而获颁 1996 年的诺贝尔化学奖,同时也让世人明白了一件事:微观世界里可能还包含许多人类未曾见过的碳原子排列方式。

1772 年,化学之父拉瓦锡就这么做了。他加热钻石至火红,发现钻石燃烧后什么都没留下,一点不剩,仿佛彻底消失了。

拉瓦锡接下来做的事情真是深得我心,充分展现了实验的优美之处。他在真空中加热钻石,不让空气与之反应,好加热到更高的温度。这个实验说易行难,尤其当时是 18 世纪,连要制造真空都不简单。然而,钻石受热后的反应让拉瓦锡瞠目结舌。钻石依然不耐赤热,但这回没有消失,而是变成了石墨,证明钻石和石墨确实由同一种物质组成,也就是碳。

钻石内部每个碳原子的四个电子都各有一个外来电子与之键结,因此晶格内的所有原子都被牢牢固定着,且没有“自由”电子。所以钻石不导电,因为晶格内没有电子可以自由活动以承载电流。然而,石墨内部碳原子的外层电子不仅会和隔壁碳原子的电子键结,还会形成一片电子的汪洋。

石墨层内部的每一个碳原子,都跟另外三个碳原子共享四个电子,而钻石内的碳原子则和四个碳原子共享电子。这使得石墨层的电子结构跟钻石不同,虽然化学键更强,但缺点就是层与层之间缺乏多余的电子形成稳固的联结,只能靠材料世界的万用胶支撑,它是分子电场变动产生的弱吸引力,称为“范德华力”。蓝丁胶的黏性就是来自范德华力。由于受力时范德华力会最先瓦解,使得石墨非常柔软。这就是铅笔的原理。把石墨笔芯压在纸上会让范德华力瓦解,石墨层于是滑到纸上成为字迹。

碳原子有很多选择,最简单的就是把四个电子跟另一个碳原子分享,形成四个化学键。这可以化解四个电子的活性,每个电子都有来自另一个碳原子的电子与之配对,形成非常稳固的晶体结构,也就是钻石。事实上,每颗钻石都是一整块单晶。

这种新型强化玻璃中间夹了一层塑料,有如黏胶般让玻璃碎了也不会散裂。这层塑料称为夹层,也是防弹玻璃的原理,只是防弹玻璃夹了不止一层塑料。子弹击中防弹玻璃时,最外层的玻璃会立刻碎裂,吸收掉子弹的部分能量并让弹头变钝。子弹必须推着玻璃碎片穿透底下的塑料夹层,而夹层则有如流动的糖蜜,把冲击力分散到更大的面积,而非集中在一个点上。就算子弹顺利穿透夹层,它会遭遇另一层玻璃,一切经历又得再来一次。

光穿透原子时会带来大量能量,只要能量够,电子就会用它升级到更好的位子,也就是会把光给吸收,使光无法穿透物质。

不过,事情还另有蹊跷。光的能量必须恰到好处,让电子可以从现在的位子跳到其他空位上。能量太小,拿不到前一排的位子(也就是到前一排所需的能量太高),电子就无法升级,光也就不会被吸收。电子必须取得恰到好处的能量,才能在不同排的位子(称为能级)之间移动,这是原子世界的基本法则,称为量子力学。排与排之间的落差是特定的能量值,这称为量子化。

玻璃里的量子排列方式与众不同,使得移动到空位的能量高于可见光,因此可见光无法让电子升级座位,于是能直接穿过原子。这就是玻璃透明的原因。然而,紫外线之类的高能光就能让电子升等,因此无法穿透玻璃。这就是为什么玻璃能防晒的原因,因为紫外线根本无法穿透玻璃碰到我们。而木头和石块之类的不透明材质,拥有大量的便宜座位,因此可见光和紫外线都很容易被吸收。

透明玻璃问世之前,镜子都是由金属表面高度抛光制成的。古罗马人发现,在金属上加一层透明玻璃,不仅能保护金属表面不受刮损和腐蚀,还能减少金属的用量到只需一毫米厚即可。这使得镜子的造价大幅降低,并增加了效用和寿命,直到今日这依然是大多数镜子的基本制作方法。

沙是岩石经过风吹雨打、海浪冲击或其他侵蚀作用,剥落形成的碎屑混合而成的微粒。抓一把沙起来仔细观察,你会发现许多沙砾都由石英组成。石英是二氧化硅结晶,种类繁多,因为氧和硅是地壳中含量最多的两个元素,化合后会形成二氧化硅(SiO2)。简单来说,石英结晶就是二氧化硅的规则排列,如同冰晶是水分子的规则排列、铁是铁原子的规则排列一样。

石英受热会让硅、氧原子得到能量开始震荡,但在某个温度之前都无法挣脱晶格的束缚,这就是固体之所以为固体的原因。当原子持续受热震荡到一个临界值,亦即熔点,就会有足够的能量挣脱键结,开始自由迁移,成为液态的二氧化硅。

液态二氧化硅冷却时很难再形成结晶,感觉就像二氧化硅忘了怎么变为结晶似的:哪个原子该在哪里,谁该排在谁的旁边,对这些原子来说似乎都变成了难题。加上二氧化硅液体冷却时,原子能量越来越少,越来越难移动,使得情况更是雪上加霜,原子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,也就是玻璃。

赛璐珞促成了胶卷的发明,胶卷则催生了电影科技。人类在百年前就已经知道,连续呈现小幅变化的影像可以创造影像“在动”的效果,但在透明柔软的材料发明前,我们只有滚筒状的跑马灯能用。赛璐珞改变了一切,它可以把连续的影像留存在同一卷胶片上,然后快速播放,创造出动态的效果。这不仅能让电影播放更长的故事,而且可以把影像向外投射,让一群人同时观赏。这就是鲁米耶兄弟的灵感,也是戏院的起源。

对某些人来说,含糖量 30%的巧克力还是很苦,因此制造商又加了一样东西,大幅改变了巧克力的滋味。那东西就是牛奶。牛奶让巧克力的干涩感大幅降低,使可可尝起来更温和,于是巧克力的味道就变得更甜了。瑞士人于 19 世纪率先采用这个做法,在巧克力中加入了大量的雀巢奶粉。雀巢公司当时刚刚崛起,靠着把牛奶变成奶粉,把原本放不久也运不远的生鲜食品,变成可以长期保存和长途运送的商品而崭露头角。巧克力和奶粉都能长久保存,结合在一起获得了惊人的成功。

不过,所有牛奶巧克力都有一个特点,就是牛奶在加入前几乎都已经不含任何水分。这是因为巧克力粉有亲水性,见水就吸,但吸了水就会脱去脂肪外膜,因为水和脂肪互不相溶。

表面上可可豆和其他商品没什么不同,跟糖一样是原物料,在国际市场交易里为食品市场创造数十亿美元的产值。但少有人提及可可豆跟茶和咖啡一样,处理过程和品种的不同会造成味道上极大的差异。唯有对品种和处理过程了如指掌,才能买到对的可可豆。因此在制作顶级巧克力时,这方面的知识属于最高机密。此外,为了控制质量,还得考虑热带气候的多变和偶尔暴发的疫病。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。

巧克力的设计就是要入口即化,它是集数百年厨艺和制造技术的巅峰之作。当初制造商只是想创造一种新的热门饮品,跟茶和咖啡分庭抗礼,可惜一败涂地。直到他们发现热巧克力直接入口比放在锅里更可口、更摩登,也更受欢迎,这才扭转局面,从此不再回头。制造商发明了一种固体饮料,而这都要归功于他们对结晶的认识与调控,尤其是可可脂结晶。

首先是它的熔点和人体温度接近,表示它平常可以以固体方式存放,跟人体接触时才会熔化,因此很适合制作乳液。此外,可可脂含有天然的抗氧化成分,可以防腐,存放多年也不会变质。相较之下,牛油的保鲜期只有几周。可可脂的这一个特点不仅对面霜制造商是利多,对巧克力商也是好消息。

可可脂还有一项优点,就是它能形成结晶,使得巧克力棒的硬度够高。结晶越结实,熔点就越高,也就更硬、更稳定。可可脂越结实,巧克力的制作难度也越高。

混凝土里的硅酸钙原纤维不仅会吸附石头,也会吸附金属。混凝土得到钢筋的加强后,就算受到弯曲应力,也会被混凝土内的钢筋吸收,不会产生大裂缝。钢筋和混凝土合二为一,把原本用途有限的混凝土变成世界上用途最广的建材。

混凝土凝固时会和水作用,引发连锁化学反应,在混凝土内部形成复杂的微结构,因此就算里头锁住了许多水分,混凝土的外表不仅看起来干燥,而且实际上还能防水。

岩石在这样的高温(1450 度)下会开始分裂重组,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质,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,降温后才会形成颜色如月球表面的灰白粉末,用手去摸会感觉很像灰烬,有丝绸的滑顺感,仿佛倒退回到岩石的前身,但很快你的手就会觉得干痒,如同遭细针戳刺。这材料非常特别,却有个无趣的名字,就叫水泥。

写信是文字的沟通,却又超越文字本身。它给人一种永恒与实在,足以抚慰不安的灵魂。信可以一读再读,而且实实在在占去你生活的时间与空间。信纸就像爱人的皮肤,散发着爱人的芬芳,而爱人的字就像指纹,呈现了独一无二的她。情书不能造假,也无法剪下和贴上。

报纸的式微不仅会改变国家与城市之间信息的交流方式,也会影响生活习惯。翻报纸的窸窣声将不再是周日早晨的背景音乐,报纸也将不再被垫在泥巴鞋子底下、折好放在车站长椅上、粉刷墙壁时铺在地板上或拿来包装贵重物品,也不会被揉成一团当火种或拿来丢向兄弟姊妹闹着玩。这些都不是报纸原本的用途,却是这个有用而备受喜爱的居家物品的一部分。我们一定会怀念它的。

电子纸也是如此,它是使用真实墨水显示文字的平面屏幕,主要是想仿效实体书那样,使用反射光来阅读。

这项技术需要把墨水转变成所谓的亚努斯粒子,也就是把墨水粒子染色,一面染成黑色,另一面染成白色,然后两面各带相反的电荷,一正一反,这样电子纸上每个像素都可黑可白,只要调整电荷即可。

由于亚努斯粒子是实体的墨水,切换文字时粒子必须旋转,因此无法像平板计算机或智能型手机的液晶屏幕那样瞬间显示,也就无法播放电影或其他时髦的玩意儿。

纤维素凭借称为木质素的有机黏着剂相互接合,形成极为坚硬强韧的复合体,可以留存数百年。要把木质素去除,萃取出纤维素并不容易,感觉很像拔掉粘在头发上的口香糖。这个程序称为“去木质素”,是把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,释出纤维素。这程序一旦完成,剩下的纤维就称为木浆,也就是液态木材,在显微镜底下看起来,有点像泡在稀薄酱料里的意大利面。把木浆放在平坦的表面上晾干,就会得到纸张。

纸其实是由一大群极微小的纤维压叠而成的,就像干草堆那样。我们感觉不到它的复杂结构,是因为纸在微尺度下加工过,所以触感上摸不出来。我们觉得纸很光滑,就和我们从太空中看地球觉得地球很圆,近看才发现满是山峦谷地一样。

布雷尔利掺入的两种成分是碳和铬,因为比例刚好,意外创造出非常特别的晶体结构,让碳原子和铬原子同时嵌入铁晶体内。铬没有让铁变硬,所以他把掺铬的枪管扔了,但没想到铬产生的效用更有趣。钢接触到空气和水时,通常会在表面发生化学反应,形成氧化铁,也就是俗称铁锈的红色矿物质。铁锈剥落后,新的钢面又会受空气和水侵蚀,使得生锈成为钢铁的痼疾,因此铁桥和车子才要上漆防锈。但掺了铬就不同了。铬很像某些特别有礼貌的客人,氧气还没碰到主人铁原子,铬就抢着先跟它反应形成氧化铬。氧化铬是透明坚硬的矿物质,对铁的附着力极强。换句话说,它不会剥落,从外表又看不见,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会自我修复,也就是说,即使不锈钢的表面被磨到了,保护膜遭到破坏,它也会自行复原。

日本武士工匠的创新之处在于有能力分辨高碳钢和低碳钢,前者硬而易碎,后者软而强韧。工匠完全凭借外观、触感和撞击时的声音来判断两者。一旦分类完成,他们就用低碳钢制作刀身,让刀非常强韧,甚至有弹性,在打斗中不会轻易折断。至于刀锋则使用高碳钢来制造,它虽然易碎但非常坚硬,因此可以磨得极为锐利。工匠用锐利的高碳钢包覆强韧的低碳钢,以此完成了许多人眼中不可能完成的任务。制作出的武士刀,经得起与其他刀剑对砍、耐得住和盔甲碰撞,且常保锋利,能轻松斩人首级。这种武士刀是两全其美的最佳武器。

钢是加了碳的铁,比青铜还硬,而且成分一点也不稀有。几乎每块岩石都含铁,而炭更是生火的燃料。我们的祖先不知道钢是合金,更不知道以木炭形式出现的碳,不只是加热和锻造铁的燃料,还能嵌入铁晶体里。炭在加热黄铜时不会产生这种现象,加热锡和青铜时也不会,只有对铁会如此。

从黄铜时代、青铜时代到铁器时代,在文明不断发展中,合金也越来越坚硬。黄铜很软,属于天然矿产,而且容易熔冶。青铜比黄铜坚硬许多,是铜的合金,含有少量的锡,偶尔还包括砷。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。唯一的麻烦是锡和砷非常稀有。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各文明的中心,就是为了这个目的。

金也是硬度较低的金属,因此戒指很少用纯金制作,否则很快就会刮坏。但只要加入百分之几的其他金属(例如银或铜)形成合金,就会改变金的颜色:银会让金变白,铜会让金变红。不仅如此,形成的合金还会比纯金硬,而且硬上许多。金属只要掺入少量其他物质就会改变性质,这是研究金属的乐趣所在。

建造金字塔用的岩石都是从矿场挖出来的,再用铜凿子一块块削成固定大小。据估计,古埃及人挖掘了大约一万吨铜矿,制造出三十万把铜凿子。

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(其他都必须从矿石中提炼),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。