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CMF|《迷人的材料》一部材料科學的頌歌

樓主:CMF設計軍團 時間:2020-02-21 16:34:40


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從茶杯、噴氣發動機到家用電器、內褲,我們的生活充滿了材料。但你想過沒有,為什么玻璃是透明的?是什么讓橡皮筋有彈性?為什么曲別針會彎曲?為什么不銹鋼不生銹?水泥也能做成衣服?世界上薄卻堅硬的東西是什么?為什么某一種材料做成的東西會長那樣?材料如何塑造了我們的世界又對我們的生活產生了怎樣的影響?



一位世界級的材料學家

寫出了一本暢銷全球的科普書

他就是馬克·米奧多尼克



世界級材料學大師帶你用材料科學家的眼睛,以全新的方式看待你身邊的每一樣東西:鋼、紙、混凝土、巧克力、塑料、玻璃、瓷器……


本書以淵博的知識和極富感染力的文字寫就。它不僅揭露了各種物質背后的神奇結構,還告訴我們隱藏在其背后的精采故事。每一章介紹一種材料,輔以照片和手繪圖,極富可讀性和趣味性。



作者簡介:

馬克·米奧多尼克:倫敦大學學院材料科學教授,英國皇家工程學會會士,入選《泰晤士報》「英國百大影響力科學家」。他樂于為大眾講解材料科學,且廣受歡迎,曾擔任多部紀錄片的主持人,包括英國國家廣播公司第二臺(BBC2)制作的《發明的天才》。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。


他也是倫敦大學學院制成研究中心主任,這個中心有一座材料館,收藏了地球上最神奇的一些物質,并和多所博物館共同推出互動節目,合作伙伴包括泰特現代美術館(TateModern),黑沃德畫廊(HaywardGallery)和威康收藏館(WellcomeCollection)等。






在《迷人的材料》的開始,米奧多尼克拿出了一張他在自家天臺上喝茶的照片,這張再普通不過的照片,在材料學家的眼中就是一份材料型錄,米奧多尼克從中挑了10種,用它們來向我們講述材料的故事,這10種材料是:鋼、紙、混凝土、巧克力、氣凝膠、塑料、玻璃、碳材料、瓷器和人體植入物。他挖掘了這10種材料的發明動機,探索了其背后的材料科學之謎,以及人是用怎樣高明的技術把它們制造出來的。更重要的是,他向我們揭示了材料的意義:


材料如何用它們的屬性塑造了整個人造世界

如何影響我們的價值觀

如何讓我們成為我們


現在,讓我們跟隨世界材料學大師的眼睛,來一窺材料世界的神奇吧。



?1?


材料名稱

感官感受堅硬、堅韌、不屈不撓

代表事物

剃須刀片、餐具、武器
發明歷史

鋼是種很晚熟的材料。雖然鍛鐵這門技術已經代代相傳了數千年,但即使在19世紀,人類對天文、物理和化學已經有了驚人的理解,工業革命所仰賴的鑄鐵和煉鋼還是全靠經驗、直覺和運氣。這是因為當時人們還無法精確掌握鐵里面的含碳量,鐵的含碳量只有在大約百分之一的范圍內才能成為鋼,含量太低則太軟,含量太高則太脆。直到19世紀中葉之后英國人貝塞麥發明了貝氏煉鋼法,人們才能大量制造合格的鋼材。

日本三神器之一的天叢云劍(草薙劍)。



15世紀時,日本武士制作的鋼刃已經獨步全球,而且稱霸世界五百多年,直到20世紀冶金科學大幅躍進才被超越。


制造工藝

貝塞麥煉鋼法

貝塞麥法非常簡單,簡直天才到了極點。他把空氣灌入熔鐵,讓空氣中的氧和鐵里的碳發生化學反應形成二氧化碳,以此把碳帶走,然后再把百分之一的碳摻回鐵里。這套方法直截了當又可以工業量產,使得煉鋼頭一次成為科學事業。


1903年,美國商人吉列決定采用貝塞麥法制造的廉價工業用鋼來制作拋棄式刀刃,第一年他賣出了51把剃須刀和168枚刀片;1915年,售出的刀片超過七千萬枚。


材料知識

曲別針為什么會彎曲?

金屬由晶體組成,雖然它們不像鉆石一樣透明。不要奇怪,因為金屬的晶體特質從表面看不到,而且晶體構造非常小。使用電子顯微鏡觀察金屬晶體,感覺就像看到鋪得毫無章法的地磚,晶體內則是駁雜的線條,稱為“位錯”。位錯是金屬晶體內部的瑕疵,表示原子偏離了原本完美的構造,是不該存在的原子斷裂。位錯聽起來很糟,其實大有用處。金屬之所以能成為制作工具、切割器和刀刃的好材料,就是因為位錯,因為它能讓金屬改變形狀。

位錯示意圖。一般金屬內的位錯數量驚人,而且會重疊交錯


當你拗曲別針時,就是把金屬晶體弄彎。金屬的可塑性來自位錯在晶體內的移動。位錯移動會帶著微量的這種物質,以超音速從晶體的一側移向另一側。雖然每個位錯只移動一小塊晶體(相當于一個原子面),但已經足以讓晶體成為超級可塑性的物質,而非易碎的巖石了。



材料故事

誤打誤撞不銹鋼

一戰期間,英國人布雷爾利受雇鉆研合金,以便改良槍管。他把不同的元素摻入鋼里來模鑄槍管,再用機械測試硬度,但嘗試了無數次都毫無進展。新鑄的槍管如果不夠硬,他就扔到角落。有一天,他突然發現那堆生銹的槍管里有東西在閃閃發亮,他敏銳地意識到了它的重要性。那塊東西正是世界上第一塊不銹鋼。


布雷爾利摻入的兩種成分是碳和鉻,因為比例剛好,意外創造出非常特別的晶體結構,讓碳原子和鉻原子同時嵌入鐵晶體內。鋼接觸到空氣和水時形成氧化鐵,即鐵銹。鐵銹剝落后,新的鋼面又會受空氣和水侵蝕,使得生銹成為鋼鐵的痼疾。但鉻能解決這一問題,當氧氣還沒來得及碰到鐵原子,鉻就搶著先跟它反應形成氧化鉻。氧化鉻是透明堅硬的礦物質,對鐵的附著力極強。所以它不會剝落,從外表又看不見,有如一道隱形的化學保護膜把鋼鐵完全包住,而且這層膜會自我修復,即使表面磨到了,它也會自行復原。


不銹鋼表面干凈光亮似乎永不褪色,感覺堅不可摧卻又非常親民,短短一百年,從廚房水槽到餐具,從剃須刀片到藝術作品,它的身影已經遍布我們周圍。


英國雕塑家安尼施?卡普爾(Anish Kapoor)在芝加哥千禧公園的作品“云門” 是不銹鋼材料的絕佳例子。不銹鋼反映了我們對現代生活的感受:利落明快,對抗骯臟、污穢與混亂。它還反映出,我們如它一般堅強不屈。



?2?


材料名稱

混凝土
感官感受牢靠的、基礎的

代表事物

樓房、橋梁
發明歷史

可能出乎你的意料,混凝土的問世時間比你想象得更早,早在古羅馬時代,古羅馬人就用混凝土的前身打造他們的帝國了,只是古羅馬人制造水泥用的是一種跟現代水泥的成分很類似的火山灰。而我們現在所見的鋼筋混凝土是工業革命興起時出現的。


古羅馬最宏偉的混凝土工程:羅馬萬神殿穹頂。它完工兩千年來始終屹立不倒,至今仍是世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂建筑。


制造工藝

混凝土凝固是相當精巧的化學反應,其中的活性成分為含有碳酸鈣的巖石。此外,還需要含硅酸鹽的巖石。但不能直接把這些成分磨碎混合后再加水,除非你要的是爛泥巴。為了制造會和水反應的關鍵成分,必須先斷開碳酸鈣和硅酸鹽的化學鍵,要做到這一點沒那么容易。碳酸鈣和硅酸鹽的化學鍵非常穩定,所以關鍵在加熱,而且是高達1450℃的高溫。巖石在這樣的高溫下會開始分裂重組,產生一群名為硅酸鈣家族的物質。制造混凝土還需要富含鋁和鐵的礦石作為點石成金的材料,但比例必須正確,降溫后才會形成粉末狀的水泥。


水泥粉末只要加水就會迅速把水吸收,產生一連串化學反應變成凝膠。水泥膠化是因為水和硅酸鈣原纖維。鈣和硅酸分子溶解后,會形成極似有機分子的晶體結構(見下圖),并且不斷生長,化學反應也持續進行,增生的原纖維相遇后會彼此交錯,形成鍵結鎖住更多水分,直到水泥從凝膠變為堅硬的固體為止。這些原纖維不僅彼此鍵結,還會抓住巖石與石子。水泥就這樣成了混凝土。

固體中的水泥內部的硅酸鈣原纖維增生圖


材料知識

混凝土要多久才會干?

答案是“混凝土永遠不會干,因為水是混凝土的一部分”?;炷聊虝r會和水作用,引發連鎖化學反應,在混凝土內部形成復雜的微結構,因此就算里頭鎖住了許多水分,混凝土的外表不僅看起來干燥,而且實際上還能防水。


法國的米約高架橋由鋼筋混凝土制成,是世界上最美的橋梁之一


材料故事

會自潔的混凝土

制造自潔凈的混凝土的方法是摻入二氧化鈦粒子。這些粒子雖然涂抹在表面,但由于粒子極小而且透明,所以外觀與一般混凝土建筑完全一樣。不過,二氧化鈦粒子吸收了陽光中的紫外線后,就會產生自由基離子,能夠分解沾上它們的有機污垢,讓污垢由風或雨水帶走。羅馬千禧教堂就是用這種自潔凈混凝土興建的。


羅馬千禧教堂



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材料名稱

玻璃
感官感受透明的

代表事物

玻璃窗、啤酒瓶、汽車風擋
發明歷史

因為熔化制造玻璃的石英需要高達1200℃的溫度,而古人是做不到這一點的。又是智慧的古羅馬人,它們反其道而行之,發現了玻璃助熔劑——泡堿,一種天然生成的碳酸鈉。泡堿讓制作玻璃不再需要加熱到足以熔化純石英的溫度。于是,這項技藝讓羅馬人發明了玻璃窗、玻璃鏡,而且還能吹制出前所未有的薄壁酒杯。



制造工藝

這里我們不說普通玻璃了,來說說防彈玻璃。防彈玻璃中間夾了多層塑料,有如黏膠般讓玻璃碎了也不會散裂。子彈擊中防彈玻璃時,最外層的玻璃會立刻碎裂,吸收掉子彈的部分能量并讓彈頭變鈍。子彈必須推著玻璃碎片穿透底下的塑料夾層,而夾層則有如流動的糖蜜,把沖擊力分散到更大的面積,而非集中在一個點上。就算子彈順利穿透夾層,它會遭遇另一層玻璃,一切經歷又得再來一次。一道夾層能讓玻璃阻擋住九毫米口徑手槍的子彈,三道夾層能阻擋點四四馬格南手槍的子彈,八道夾層可以讓你承受AK-47的攻擊。



材料名稱

玻璃透光的奧秘

玻璃為何如此神奇,竟然會是透明的?光為何能穿透這種固體,其他物質為何無法讓光穿過?讓我們看一段TED-Ed的短片,來更形象地了解其中的奧秘。短片內容出自《迷人的材料》第7章“透明的玻璃”


玻璃為什么是透明的?


材料故事

化學這門科學從玻璃身上得到的幫助比任何學科都大,這僅僅是因為一件東西——小小的試管。在玻璃試管發明之前,化學反應都在不透明的燒杯里進行,因此很難看到過程變化。有了玻璃這種材質,尤其是耐熱玻璃問世之后,化學總算進階成為一門有系統的科學。


耐熱司玻璃是加了氧化硼的玻璃,玻璃加了它會抑制熱脹冷縮。玻璃溫度不均時,不同部位的脹縮速率不同,會彼此擠壓,在玻璃內部形成應力,產生裂痕最后導致破裂。要是玻璃瓶里裝的是沸騰的硫酸,瓶子碎裂還可能讓人殘廢甚至死亡。硼硅玻璃的出現讓玻璃的熱脹冷縮從此絕跡,也連帶去除了應力,讓化學家可以隨意加熱或冷卻化學物質,專心研究化學現象,不必擔心可能的熱沖擊。


有多少諾貝爾獎是玻璃從旁邊推了一把?又有多少現代發明萌生于小小的試管里?



從上面幾種材料的知識和故事中,我們可以感受到,


我們周遭看起來只是五顏六色的東西,

它們背后隱藏的神奇遠不是他們看上去的那樣平凡。

物質世界與心靈世界的距離也并不那么遙遠。

所有人都知道物質世界對心靈的影響有多強烈。


坐在舒服的沙發上和坐在木椅上給我們的情緒感受完全不同。這是因為對人類來說,物質從來都不只是實用品。上古考古證據顯示,


人類一懂得制造工具,

就開始制作首飾珠寶、胭脂、藝術與服裝。

這些材料的發明是為了文化與美感,

而文化與美感始終是材料科學發展的強大推力。


正是由于材料和社會功能關系密切,

我們喜歡的材料和出現在我們身旁四周的物質才會那么重要。

材料擁有意義,

訴說著我們的理念,

讓我們成為我們。



無論在農場或都市、火車或飛機上、圖書館或購物中心,材料的意義都不斷影響我們。當然,設計師和建筑師都會用這些意義來設計服裝、產品及建筑,讓我們愛上它們、認同它們、想把它們留在我們身旁。材料的意義就這樣受我們的集體行為所加強,擁有了普遍的含意。人們購買衣服,通過身上的衣服成為自己希望成為或被迫成為的人。時裝設計師是操縱這些意義的高手。但我們在日常生活的每一處都會選擇材料以反映自己的價值觀,從浴室、臥房到客廳都是如此。其他人也會在工作處、都市和機場把他們的價值加與我們。這是一個持續反思、吸收與表達的過程,它不斷重塑身邊物質對于我們的意義。因此,材料也反映了我們,展現了人類的需求與渴望。


最后,請再看一眼這張照片,如果你有興趣讀一讀《迷人的材料》這本書,相信你會看到不一樣的東西……





圖文:來源于網絡,軍團整理編輯。




THE END







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