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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事
发布人：上海艾荔艾合金股份有限公司www.shailiai.cn
更新时间：2016-01-15
《迷人的材料》从作者在自家屋顶喝茶的生活照入手，讲述了10种改变世界的物质和它们背后的故事。这10种物质分别是：钢（steel）、纸（paper）、混凝土（concrete）、巧克力（chocolate）、发泡材料（foam）、塑料（plastic）、玻璃（glass）、碳材料（carbon）、瓷器（porcelain）、植入物（implant）。
2014年英国皇家学会科学图书奖
Amazon 2014年度科学类选书
《物理世界》2014年推荐最佳科普书
《纽约时报》2014年最值得阅读的一百本书之一
看到这个题目你也许会觉得这是一部充满了鸡汤和赞美之词的科普书籍，并没有什么新奇。先不要急着下结论，首先让我们看看一副来自本书的插图：
作者在自家屋顶喝茶
你也许会觉得这不就是一张很普通的生活照吗，和材料有什么联系？当你看完这本书，这样的疑问或许就会打消，今天晓fire就和大家聊聊这本书。
首先让我们认识一下本书作者：马克·米奥多尼克（Mark Miodownik），伦敦大学学院材料科学教授，英国皇家工程学会会士，《泰晤士报》评选的「英国百大影响力科学家」。 2010年，他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。他在伦敦大学学院有一个材料馆，收藏了世界上最神奇的一些物质。
《迷人的材料》从作者在自家屋顶喝茶的生活照入手，讲述了10种改变世界的物质和它们背后的故事。
这10种物质分别是：钢（steel）、纸（paper）、混凝土（concrete）、巧克力（chocolate）、发泡材料（foam）、塑料（plastic）、玻璃（glass）、碳材料（carbon）、瓷器（porcelain）、植入物（implant）。接下来，让我们就几种典型材料走入马克·米奥多尼克所讲述的材料世界。
1、不屈不挠的钢（steel）
北京鸟巢
说钢估计材料人都会不自觉的想起那张铁碳相图（要背下来，有木有），当然作者没有这么变态，他要给我们聊些轻松的。
从石器时代、黄铜时代、青铜时代再到铁器时代，人类对材料认识和使用经历了一个漫长的过程：
| 时期 | 代表材料 | 材料缺点 | 材料优点 | 典型应用 |
| 石器时代 | 燧石、木头和兽骨 | 强度低，塑韧性差 | 易取得，工艺简单 | _ |
| 铜器时代 | 黄铜（后期青铜） | 硬度低 | 塑性高 | 埃及金字塔 |
| 铁器时代 | 铁、钢 | 工艺复杂，难掌控 | 强硬度和塑韧性可兼顾 | 日本武士刀 |
除了上表中的发展过程，在本章你还会了解到有关钢的各种有趣历史事件，包括贝塞麦法掀起的的工业革命、吉列剃须刀的故事以及世界上第一块不锈钢的发现。当然，在了解历史之余，你也可以将材科的基础知识在脑中进行简单的回忆总结。
2、值得信赖的纸（paper）
生活中各种各样的纸
说到纸，大家都不会陌生，读书、写作、包装、清洁、支付等等诸如此类的活动我们都离不开纸，虽然随着电子信息革命的到来，无纸化办公和支付的理念已经提出，但要让纸真的退出我们的生活却也是漫漫无期。
纸，其实是由一大群极微小的纤维压叠而成，微观看来就如同干草堆那样，宏观上确实平整光滑。一般纸的工艺流程如下：
当然，这只是一般纸张的生产工艺，具体到各类不同用纸，还有各种不同的问题，比如黑白相纸上涂有含卤化银的凝胶，收据用纸会预涂酸剂和无色燃料等等。除了这些工艺，你有没有想过纸张为什么放久了会变黄？钞票用纸会和普通用纸有什么区别？相信看完这章内容你都会找到答案。
3、作为基础的混凝土（concrete）
罗马万神殿穹顶是至今仍是世界上最大的无钢筋混凝土圆顶建筑
我个人认为这种材料真的堪称史上最重要的材料之一，如果没有它的出现，也许我们到现在都无法解决几十亿人口的居住问题，更不要说那么多人类建筑史上的奇观了。
混凝土的生产工艺是十分复杂的，涉及很多的物质比例问题，这里晓fire只将工艺流程做一个简单总结：
除了工艺外，在本章最后两节马克还针对混凝土存在受磨损、侵蚀的问题向大家介绍了自愈、自洁混凝土的概念及应用。尤其是掺入了二氧化钛的自洁混凝土，不仅可以分解自身污垢还可以充当触媒转换器，减少空气中氮氧化物。嗯，听起来很对我们现在城市环境的胃口。有兴趣的同学还可以去深入了解一下。
4、美味的巧克力（chocolate）
美味巧克力
不得不说我是留着口水看完这章的，我脑中频繁显现着德芙，费耶罗，还有那句广告词：“饿货，快来条士力架吧！”⊙﹏⊙‖好了，回归正题。其实这章的核心内容非常简单：一种材料，几个反应。
首先让我们来认识一种材料：可可脂。可可脂是植物界最精致的油脂之一。不仅可以做巧克力的基底，也是高级面霜和乳液的基本成分。没错，每天我们放进嘴里的和涂在脸上的东西在材料人看来是一回事。选择可可脂是因为它具备熔点接近人体，能形成结晶两个优点。可可脂的主要成分为甘油三酯大分子，它以不同形式堆栈形成多种结晶。本章介绍了结晶一号到五号，其中结晶五号是密度极高的脂肪结晶，熔点达34℃，这也就是大多数巧克力制造商希望制出的结晶。
接下来让我们看看可可豆内成分是怎样转变为巧克力味的必要元素的。已采摘的可可豆种子放在地上，任由其腐烂发酵，这期间可可豆里的酶让酸与乙醇发生酯化反应，成分比例、环境温度和氧含量都是反应的关键，也是商业机密。接下来要做的就是晒干和烘焙，让可可豆内发生焦糖化过程，该过程中，长链状糖分子会断成许多截，小的直接蒸发形成了好闻的气味，而大的保留下来，内部形成“碳双键”，成为焦糖化的糖呈黄棕色的原因。当温度更高时，会伴随有梅纳反应，继续影响可可豆的颜色气味。
当然，如果你想了解的更详细，可以详细看看这章。
5、不可思议的发泡材料（foam）
二氧化硅气凝胶保护花朵不被煤气灯烧焦
果冻和气凝胶有什么联系？二氧化硅气凝胶有什么性质和用途？这就是马克在本章要给我们介绍的内容。
气凝胶（aerogel），又称为干凝胶。大部分溶剂脱去后，凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。
气凝胶是一个名叫契史特勒（Samuel Kistler）的美国人在20世纪30年代发明的，他发明气凝胶纯粹出于对果冻的兴趣。他想知道果冻内看不到的明胶网格是不是一个整体？如将液体移走网格是否能依然存在？他研究的的结论是：液体与网格相互独立且可以替换成其它液体。紧接着，他与其它两位合作人提出用在高压反应釜内用气体代替液体，制出了当时世界上最轻的固体：二氧化硅气凝胶。随后他又做出了其他的气凝胶，其中包括蛋白气凝胶，全世界最轻的蛋白霜。（论文见《自然》科学期刊，3211号，卷127,741页）。
二氧化硅气凝胶具有的一些独特的性质也让其拥有了特殊的用途
（1）密度低。其密度仅为空气的3倍多一点，正因为如此，为宇宙飞船、零件轻量化提供了思路。
（2）阻热性好。1997年首次应用于火星探路者号，从此成为宇宙飞船标准绝热材料。
（3）单位体积可吸收大量能量。星辰号太空捕捉尘埃。
6、透明的玻璃（glass）
贝聿铭设计建造的玻璃金字塔
下面，让我们看一段TED-Ed的短片，它能够对我们本章的内容做一个较好的阐释：
7、坚不可摧的碳材料（carbon）
几类碳材料的微观结构
本章从马克在曼彻斯特大学物理系与全球顶尖碳专家海姆（Andre Geim）教授的会面开始，讲述了钻石、石墨、碳纤维、碳纳米管以及石墨烯5种碳材料的结构和用途。
钻石是我们每个人都很熟悉的物质，碳原子最外层四个电子分别与另一个碳原子配对，形成四个化学键，这样的结构可以化解四个电子活性，形成非常稳固的化学结构。钻石的应用自不用说，每个求婚的男士怕是都需要它。
石墨构造与钻石完全不相同，石墨是碳原子以六角形联结而成的层状结构，每个碳原子与另外三个碳原子共享四个电子，层间以“范德华力”联结。因此石墨具有非常柔软的特点，此外石墨还具有可导电，耐高温的特点。
碳纤维是将石墨纺成细丝，细丝织成布料再纵向卷起，就会具有极高的强度和硬度，外层用环氧树脂包覆克服了范德华力较弱的缺点，形成了碳纤维复合材料。这种复合材料在当今的飞机制造、赛车竞技以及太空探索中发挥着举足轻重的作用。
碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。
石墨烯的发现者之一海姆当着马克的面，用几条小胶带和一块儿石墨制备出了世界上最纤薄、最强韧和最坚硬的物质石墨烯。石墨烯具有导电、导热快以及电阻小的特点，还允许克莱因隧穿效应。
讲到这里，还记得开篇提到的作者在自家屋顶喝茶的生活照吗？
此时，这张照片已经不再仅仅是一张生活照了，它可以被看做是各种材料的集合。生活即材料，材料即生活。觉得科研乏味无聊时，不妨翻翻这本《迷人的材料》，也许它能带给你一点启发，至少带给你一些趣味。
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