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今天我要给你解读的这本书
是很有吸引力的材料
人类文明史是物质变迁的历史
从旧石器时代
新石器时代
青铜时代
铁器时代到今天纳米材料时代
材料是人类认识自然
改造自然的工具
是人类文明发展
科技进步的载体
这些材料是如何出现在人类社会中呢
今天我们要介绍的这个有趣的材料
是关于改变世界和科学故事的材料
本书作者马克
米奥多尼克
英国伦敦大学材料科学教授
英国皇家工程学会会士
他所写的这本令人着迷的资料获得了二零一四年英国皇家学会科学图书奖
并被选为亚马逊年度科学类图书和物理世界杂志最佳科普书籍
接下来
我将从材料应用场景出发
从建筑材料
生活用品
未来科技三方面来解读
首先
我们来谈谈建筑材料
它是如何体现人类文明的
建筑材料在改善人类居住环境和推进城市化进程中起着重要作用
混凝土是世界上应用最为广泛的建筑材料之一
无论是高楼大厦还是道路桥梁
都可以看到它的身影
美国胡佛水坝
法国米约高架桥
英国的格瑞夫里山立交桥等等
都是钢筋混凝土的杰作
混凝土为什么得到如此广泛的应用
首先是混凝土的特性
混凝土的主要成分是水泥
砂 石啊
当这三种物质混合之后
再加入水之后
就会发生连锁反应
产生复杂的微观结构
这些微观结构相互连接
最终形成坚硬的固体
而在这个过程中
混凝土也会从液态变成固态
变成各种形状
从而在短时间内建造出一座巨大的建筑
像中国万里长城
欧洲十造教堂这样的大型建筑
在混凝土发明之前
往往要花上几十年的时间
混凝土浇筑完成后
伦敦大厦三百零九米高的主体结构在六个月内完成
古罗马人首先使用混凝土建筑材料
古罗马有个地方叫波佐利
那里有大量的火山岩粉末
类似于现代水泥
罗马人只需要将火山岩粉末和沙子混合在一起
就可以制造混凝土
古罗马遗址和考古发掘证明
混凝土在当时已经广泛应用于建筑中
他们曾用混凝土建造罗马万神殿的圆顶
这座宏伟的建筑在两千年一直屹立不到
至今仍是世界上最大的无钢筋混凝土圆顶建筑
可惜
随着罗马帝国的衰落
混凝土技术也随之消失
直到一八六零年代末
法国巴黎园一家莫尼耶在制作花盆时
偶然发现钢筋与混凝土具有几乎相同的膨胀系数
从而有效解决了混凝土脆性断裂的问题
随着科技进步
混凝土材料不断更新
目前已出现自愈和混凝土和自节混凝土
自愈混凝土是将一种名为巴氏芽孢杆菌的细菌加入到普通混凝土中魔的
这些细菌平时都是在睡觉
当混凝土出现裂缝的时候
它们就会苏醒过来
将事先准备好的淀粉吃掉
然后开始修补
它们会分泌一种叫做方解石的混凝土
它能紧密的粘附在原来的混凝土上
填满裂缝
经过杆菌处理后
混凝土的强度能达到百分之九十以上
另一种自清洁混凝土中加入了二氧化钛颗粒
这种颗粒很小
很透明
几乎不会被混凝土表面所察觉
但是二氧化钛粒子吸收了紫外线之后
会产生自由基
可以将身上的污垢分解
然后被北风或者雨水带走
这种自清洁混凝土是罗马千年教堂使用的混凝土
必须与钢结合
以使其具有足够的韧性
接下来我们要说的就是现代建筑当中不可缺少的一种材料
钢铁
钢并非纯铁
而是含碳的铁
嗯
高碳钢的硬度很高
但是碳钢却非常的坚韧
最早掌握这种特性的是日本的武士工匠
他们可以凭借自己的经验分辨出高碳钢和低碳钢
但是他们却选择了低碳钢作为刀身
高碳钢作为刀刃
这样既可以保持刀身的韧性
又不会折断
又可以保证刀身的锋利
这是一种两全其美的武器
但日本的方法太复杂了
无法大规模生产
直到工业革命之前
一位名叫贝瑟麦的英国工程师发明了一种制造钢水的方法
倍塞麦的方法很简单
先得到纯铁
再加入一定的碳
如何得到纯铁
把铁融化成铁水
再注入空气中
铁中的碳会跟氧气发生化学反应
变成二氧化碳
铁水中的碳会被带走
这时候再加入不同比例的碳
就能得到硬度不同的钢
嗯
贝瑟麦的发明开启了机械时代的波澜壮阔
钢筋混凝土
混合的钢筋混凝土结构也使得高楼大厦拔地而起
除了钢和混凝土外
玻璃也是常见的建筑材料
高楼大厦的玻璃闪闪发亮
充满了现代气息
玻璃主要成分为二氧化硅
其成分与沙子相同
准确的说
沙子在高温下会变成液体冷却后会变成玻璃
所以沙漠里面经常会有玻璃被闪电击中
古埃及图坦卡门王的木乃伊装饰中就有这样一块沙漠玻璃
但是想要大量生产玻璃几乎是不可能的事情
古罗马人发明了玻璃
它可以降低玻璃的温度
降低玻璃的制作难度
于是他们开始大量的制造玻璃窗
在古罗马发明玻璃之前
欧洲人的窗户都是开着的
英文叫window
英文窗户指的是蜂眼
古罗马人用铅把透明玻璃焊接在窗户上
以防止风雨侵袭
开创了人类在建筑中使用玻璃的热潮
古罗马玻璃工艺也被用于制作酒杯
他们发现固态玻璃只要加热到一定程度
就可以轻易成型
然后用钳子夹住玻璃
在玻璃冷却之前将玻璃拉成各种形状
甚至还能在玻璃变红的时候吹入其中
冷却后形成一个完美的气泡形状
随着玻璃制作技术的进步
玻璃的种类越来越多
不仅改善了人们的进活
而且推动了科技的进步
尤其是有了耐热玻璃以后
化化学才真正成为一门科学
耐热玻璃是一种添加了硼化物的玻璃
这种玻璃能够抑制热胀冷缩
所以化学家们可以随意加热或者冷却玻璃杯
说到玻璃碎裂
就不得不提强化玻璃了
这是汽车工业为了减少车祸中玻璃碎片造成的伤亡而发明的
这种可以救命的玻璃最早起源于十七世纪四十年代的一件名为鲁伯特之类的珍宝
这是一种由高温玻璃熔浆滴入水中而形成的泪滴形状玻璃
圆圆的脑袋可以承受巨大的压力
即使用锤子敲击它也不会碎
但是他那锋利的尾巴稍微一用力
鲁伯特之类就会发生连锁反应
这些碎片虽然会划破皮肤
但并没有太大的危险
经过罗伯特等特殊属性的改良
才有了今天的强化玻璃
强化玻璃是防弹玻璃的升级版
为什么防弹玻璃可以防弹
主要原因就是强化玻璃中间有好几层塑料
子弹打在防弹玻璃上
外层玻璃会立刻破碎
吸收一部分子弹的能量
再由塑料夹层把冲击力分散开来
从而减少伤害
玻璃越多
防弹玻璃吸收的能量就越多
一层就能够抵挡九毫米的子弹
八层加层能够抵挡AK四七的子弹
对于人类来说
最有用的玻璃是用来建造现代城市的玻璃
它们扁平
厚实 通透
不仅能给房间带来阳光
也能使现代建筑充满科技感
就像玻璃一样
很多东西都在默默的发挥着作用
为人类提供方便
提高生活质量
下一步我们要讲的是第二部分
生活中常见的材料
先说说塑料吧
塑料是一种很常见的东西
比如快餐盒
塑料袋
塑料水杯等等
其实塑料是一种统称
包括橡胶
尼龙 亚克力
塞洛洛是人类历史上第一个用来做商业用途的塑料
欧洲十九世纪的台球室是一种深受人们喜爱的娱乐活动
但是这个球的制作却是一个很大的问题
那就是必须要足够坚固
能够承受数千次高速撞击而不会凹陷
同时还要有一定的韧性
在赛洛洛发明之前
象牙球主要由象牙制成
价格昂贵
为了解决这个问题
一个美国工厂老板在一八六零年开出了一笔高达一万美元的奖金
以征集改进台球的发方法
一位名叫海厄特的印刷工人闲暇时喜欢做化学实验
一八六九年
他用纤维素
二硝酸酯
植物萃取物
樟脑和乙醇混合而成的象牙台球
由于赛洛能够做出象牙
檀木
珍珠等高级材质
这就大大满足了新星中产阶级的享乐欲望
嗯
同时把赛露洛做成胶片状的袋子
再涂上一层感光膜
就会变成电影胶片
是电影拍摄
放映的理想材料
也是推动电影业发展的重要因素
总的来说
作为当时唯一的塑料原料
塞露洛产业在一八八零年带得到了迅猛的发展
塑料改变了人们的生活
如莱卡
聚氯乙烯等圆滑柔顺的材料取代真丝成为女性袜子的主要材料
黑胶改变了我们的录音和听音乐
硅胶广泛应用于整形外科
使丰胸和隆鼻手术从梦想变为现实
陶瓷比塑料
玻璃
钢铁要古老的多
古代人类把粘土放到火里
发现粘土不但会变干
而且会变成坚硬如实的新物质
用来储存粮食和水
这是第一批陶器
虽然能够储存食物
但是却很容易碎裂
两千年前
中国东汉工匠改进陶器工艺时
发现一种白色的矿物
叫做高岭土
这个词结合了坚韧
轻盈
优雅和无比光滑的办点
很快就成为了财富和高雅品味的象征
成为中国人的代名词
很多欧洲人想要自制陶器
但是一直找不到解决的办法
派人去中国调查
却一无所获
十八世纪初
奥古斯特二世国王萨克森二世痴迷于中国瓷器
曾以六百名壮汉换取一百二十七件中国瓷器
奥古斯特二世为了制造瓷器
炼金术使贝特格研究了陶瓷的烧制方法
贝特格在巨大的压力下
无意中发现了高岭土
终于破解了中国几千年来保守的秘密
后来欧洲瓷器诞生之日
从此
欧洲瓷器开始兴盛
它的历史并不比瓷器差
但是它的应用范围更广
比如书籍
报纸 卫生纸
包装纸
钞票等等
主要原因有两个
一是因为造纸设备中有一种叫做木塑的物质
这种物质一旦接触到光线
就会和氧气发生化学反应
形成一种颜色
让纸张变黄
另一个原因是以前的人们会在纸上涂一层硫酸铝
以使纸张更光滑
硫酸铝虽然能够让纸张变得光滑
但是在造纸的过程中
却会形成一种酸性的环境
使得纸张和氢离子发生化学反应
使得纸张变黄
变得更加的脆弱
在十九至二十世纪
许多西方书籍都使用这种酸纸
其实最有诱惑力的就是钞票了
为了防止伪造
钞票用的是纯棉
而不是普通纸张的木质纤维
人民币的纸主要是用短棉绒做的
纯棉的钞票质地独特
除了能够增加钞票的韧性外
还能够增止水泡和折叠
还能够检测到这种独特的质感
增强防伪能力
除此之外
还可以用碘钱来验证真假
点笔在普通纸张上写字时
碘元素与纤维素类淀粉发生反应
形成色素
使之变黑
钞票里没有木质纤维
所以不会变色
钞票还有一项防伪的绝活
水印
水印是镶嵌在钞票上的图案
只有在光线的照射下才能够看得清楚
说是水印
其实并不是水渍和墨迹
而是改变了棉布的密度
让光线通过不同的地方形成了一种特殊的图案
材料不仅极大的改善了人们的生活质量
而且推动了科技的日新月异
接下来我们要说的是第三件事
那就是高科技材料
首先让我们看看世界上最轻的固体绝缘体
气凝胶
这种由二氧化硅制成的新材料
这度只有空气的二点七五倍
因为空气中百分之八十以上都是空气
所以隔热效果非常好
一寸厚的气凝胶相当于二十到三十片普通玻璃
打个比方
就算是一朵娇艳欲滴的玫瑰花靠近了火焰
只要有气凝胶在
玫瑰就不会受到任何伤害
二氧化硅气凝胶不仅是世界上最好的绝缘材料
而且重量也很轻
非常适合太空飞船脱离地球的引力
一九九七年
火星探路者号首次使用气凝胶
并成为宇宙飞船的标准隔热材料
美国太空总署的科学家也利用气凝胶来捕捉太空物质
一九九二年二月七日
美国星辰号飞船使用了一种类似于巨型网球拍的工具
上面涂满了气凝胶
用来收集彗星的尘埃
用来研究星体和彗星的组成
新型气凝胶的研发速度正在逐渐加快
比如有人发明了一种叫做x气凝胶的材料
它可以用来制造世界上最轻便的保暖毯子
取代羽绒被
睡袋等产品
也有人发明了导电的碳气凝胶
以及能够吸收有毒气体的气凝胶
碳是未来科技的另一种材料
纯碳有钻石和石墨两种主要形式
我们对钻石并不陌生
钻石的硬度极高
几乎不会被任何东西划伤
永远都能保持它的完整
英文钻石源自古希腊文
意思是不变不碎
但是钻石是不变的
钻石最终还是会变成石墨的
只是不知道要花几十亿年的时间
如果是人工干预的话
这个时间会大大缩短
一七七二年
化学之父拉瓦锡发现了一种方法
那就是将钻石烧成了灰烬
钻石就像是彻底的消失了一样
拉瓦锡在真空中将钻石加热
避免了空气的反应
结果拉瓦锡目瞪口呆
这一次
钻石并没有消失
而是变成了石墨
这充分证明了
钻石和石墨是由相同的物质组成的积碳
其实我们更熟悉石墨
比如铅笔芯就是由石墨制成的
但是石墨却有着更多的用途
可以说是未来科技的代名词
首先是碳纤维
重量更轻
强度更高
把石墨仿成细丝
再用细丝织成布
称为碳纤维
它的质量比金属铝要轻
但是它的强度却比钢铁要高得多
而且它的耐腐蚀性也很强
所以碳纤维取代了铝
成为了飞机的主要原材料
也取代了传统的球拍
让它的性能得到了极大的提升
石墨也可以变成石墨烯
石墨烯是石墨的基本单位
它的厚度只有一个原子
它是世界上最薄
最强
最硬的材料
它的导热速度比任何材料都要快
电阻也比其他任何材料都要小
这意味着石墨烯有成为微型发电站的潜力
取代硅芯片
成为所有数字运算和通讯的核心
从材料的角度看世界
原来我们平常以为理所当然的东西
背后却隐藏着丰富的故事
这本书是材料科学的蛋哥
他在为人类服务的同时
也在重新认识世界
很有吸引力的素材
这本书就给你解读到这里
明天见