世界顶级材料学大师带你用材料科学家的眼睛，以全新的方式看待你身边的每一样东西：钢、纸、混凝土、巧克力、塑料、玻璃、瓷器……

马克·米奥多尼克著的《迷人的材料(精)》以渊博的知识和极富感染力的文字写就。它不仅揭露了各种物质背后的神奇结构，还告诉我们隐藏在其背后的精采故事。每一章介绍一种材料，辅以照片和手绘图，极富可读性和趣味性。

从茶杯、喷气发动机到家用电器、内裤，我们的生活充满了材料。但你想过没有，为什么玻璃是透明的？是什么让橡皮筋有弹性？为什么曲别针会弯曲？为什么不锈钢不生锈？为什么某一种材料做成的东西会长那样？

世界顶级材料学大师带你用材料科学家的眼睛，以全新的方式看待你身边的每一样东西：钢、纸、混凝土、巧克力、塑料、玻璃、瓷器……

马克·米奥多尼克著的《迷人的材料(精)》以渊博的知识和极富感染力的文字写就。它不仅揭露了各种物质背后的神奇结构，还告诉我们隐藏在背后的精采故事。每一章介绍一种材料，辅以照片和手绘图，极富可读性和趣味性。

序章 走进神奇的材料世界

 一刀引发的机缘

 材料构筑了我们的世界

 文明时代就是材料时代

 看不见的微观世界影响大

1 不屈不挠的钢 STEEL

 晚熟的科技

 没有金属铜，就没有金字塔

 钢是谜样物质

 钢铁是珍贵的军事力量

 武士刀完成不可能的任务

 贝塞麦法掀起工业革命

 不再夜夜磨刀

 误打误撞不锈钢

2 值得信赖的纸 PAPER

 化身为笔记纸

 保存记录

 印成相纸

 印制成书

 变身为包装纸

 以收据或发票呈现

 灵感来源的信封

 不可或缺的卫生纸

 充满高贵气质的纸袋

 光鲜亮丽的封面纸

 化身带我去远方的车票

 钞票是另类的纸

 是纸又不是纸的电子纸

 实实在在的报纸

 传达蜜意的情书

3 作为基础的混凝土 CONCRETE

 混凝土要多久才会干

 加水多少是关键

 园艺家发明钢筋混凝土

 施工迅速且便宜的建材

 必得隐形，不能示人

4 美味的巧克力 CHOCOLATE

 只熔你口的技巧

 嗅觉与味觉的绝佳享受

 可可豆不可生吃

 繁复的化学过程

 分离后再加起来

 最美好的滋味

 绝妙的感官刺激

 有潜力的健康食品

5 不可思议的发泡材料FOAM

 难忘的惊鸿一瞥

 跟果冻一样的东西

 握在手中的蓝天

 飞向太空的材质

 捕捉太空物质

 随星尘号远航

6 充满创造力的塑料 PLASTIC

 塑料没有罪

 用塑料取代象牙

 化学的车库革命

 塑料有助于人体防腐

 塑料专利之争

 珠宝的替代品

 假牙也有塑料革命

 视觉文化史的转折点

 电影推手

7 透明的玻璃 GLASS

 高温闪电造玻璃

 罗马人的科学智慧

 中国人独缺的发明

 玻璃透光的奥秘

 玻璃推动科学进步

 玻璃揭开啤酒的面纱

 粉身碎骨保安全

 透过玻璃看见世界

8 坚不可摧的碳材料 GRAPHITE

 钻石是最昂贵的碳结构

 潇洒的钻石大盗

 钻石变石墨

 煤炭化为黑玉

 合成多种碳结构

 更轻更强的碳纤维

 神奇材料石墨烯

9 精致的瓷器 PORCELAIN

 真正的永续环保材料

 中国人发明精致瓷器

 中国引领风骚五百年

 繁复的制造过程

 与文化相结合

10 长生不死的植入物 IMPLANT

 变得更强的方法

 解决牙疼烦恼

 用钛固定韧带

 关节置换不麻烦

 人体组织可再造

 无法克服老化

后记 材料科学之美

 万物都由原子构成

 结构尺度影响大

 肉眼可见的尺度

 生命与无生命的分野

 材料拥有意义

致谢

图片来源

我从来没在酒吧厕所签过保密条款，因此当我发现布莱恩只是叫我签字，没有其他意图时，不禁松了一口气。一小时前我才认识布莱思。这家叫作希汉斯的酒吧位于都柏林市郊的邓莱里，离我当时的工作地点不远。布莱思六十多岁，脸色红润，拄着拐杖，一条腿不良于行。他穿着潇洒的西装，稀薄的灰发带着一点金色，丝卡牌香烟抽个不停。布莱恩发现我是科学家后，立刻猜到我应该会对他20世纪70年代在伦敦的经历感兴趣。他在伦敦销售英特尔4004芯片，正好赶上当时的计算机热潮。他以每箱一英镑的价格进了一万两千箱芯片，再以十倍价格小批卖给相关产业。我跟他说我在都柏林大学学院机械工程系研究合金，一直滔滔不绝的他难得地沉默下来，陷入沉思。我便趁机去了洗手间。

保密条款就写在一张纸上，这张纸显然是刚从他的笔记本上撕下来的。内容很短，主要是说他会跟我描述他的发明，但我必须保密，而他会付我一爱尔兰镑。我请他再多告诉我一点，但他戏谑地闭上嘴巴，做了拉拉链的动作。我不大晓得我们为什么要在厕所谈这件事。隔着他，我看见其他顾客进进出出。我心想是不是该大声呼救。布莱恩摸了摸外套，从口袋里掏出一支圆珠笔，又从牛仔裤口袋掏出一张皱巴巴的钞票。他是认真的。

我在满是涂鸦的厕所隔间墙上签了保密条款。布莱恩也签了字，然后把钞票给我，那张纸就成了有效力的正式文件了。

回座之后我们继续喝酒，布莱恩开始解释他发明的电动磨刀机。他说他的发明会掀起剃刀革命，因为所有人从此只需要买一次刀片。数十亿美元的产业将瞬间化为乌有，而他会一夕暴富，地球矿藏的消耗也将减少。“怎么样？”他问，然后骄傲地灌了一大口啤酒。

我狐疑地望着布莱思。科学家都会遇到这种事，被某人抓着大谈自己惊天动地的大发明。再说，剃刀于我是一个敏感话题。我觉得被刺了一下，浑身不对劲，想起了背上那一道长长的伤疤，还有我在汉默斯密地铁站的遭遇。但我还是示意布莱恩继续讲下去……

晚熟的科技

直到20世纪，科学家才对钢有深入的了解，这实在很怪，因为锻铁这门技术已经代代相传了数千年。即使在19世纪，人类对天文、物理和化学已经有了惊人的理解，工业革命所仰赖的铸铁和炼钢还是全凭经验，靠的是直觉、仔细观察和大量的运气。(布莱恩会不会正是这样的幸运儿，碰巧发明了磨刀的划时代新方法？我发现我并不想否认这种可能性。)

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。

关于从天而降的金属，没有人比家住波斯尼亚北部的拉伊奇(Radivoke Lajic)体会更深了。

2007年到2008年，他家就至少五次遭陨石击中。在统计学上来说，发生这种事的概率实在微乎其微，拉伊奇说外星人锁定了他家，听起来还蛮有道理的。他在2008年发表这个看法，结果他家又遭陨石击中一次。科学家调查后证实是陨石没错，并开始研究他家附近的磁场，希望找出这非比寻常的高频率背后的原因。

少了金、铜和陨石铁，我们石器时代的老祖先就只能用燧石、木头和兽骨制作工具。使用过这些材料的人都晓得，用它们做成的工具用途相当有限。木头一敲不是碎了、裂了，就是断成两截，石头和兽骨也不例外。金属跟这些材料根本上就不同，金属可以锻造——加热后会流动且有可塑性。不仅如此，金属还越敲越强韧，光靠打铁就能使刀刃更硬，而且只要把金属放入火中加热，就能反转整个过程，让金属变软。

一万年前最先发现这一点的人类，终于找到一种硬如岩石又像塑料般可以随意塑形，还能无限重复使用的材质。换句话说，他们找到了最适合制作工具的材料，尤其适合制作斧头、凿子和刀之类的切割用器具。

我们的老祖先一定觉得金属这种软硬自如的能力非常神奇。我很快发现，布莱恩也有同样的感受。他说他没有什么物理和化学知识，全凭反复试错设计出他的发明，但终究成功了。他希望我能帮他测量经他的机器操作后，刀刃锐利度的前后差异，因为拿得出这种证据，他才有本钱跟剃须刀公司好好谈生意。

P25-27

文明时代就是物质时代

从我们对文明发展阶段的划分（石器时代、青铜时代和铁器时代）就可以看出物质对我们而言有多么根本和重要。人类社会每一个新时代都是因为一种新物质出现而促成的。钢是维多利亚时代的关键原料，让工程师得以充分实现梦想，做出吊桥、铁路、蒸气机和邮轮。修建英国大西部铁路与桥梁的伟大工程师布鲁内尔（Isambard Kingdom Brunel）用物质改造了地景，播下了现代主义的种子。20世纪常被歌颂为硅时代，是因为材料科学的突破带来了硅芯片和信息革命。但这个说法忽略了其他五花八门的崭新材质，它们同样改写了现代人的生活。建筑师运用大规模生产的结构钢和平板玻璃建起摩天大楼，创造出新的都市生活型态。产品和服装设计师用塑料彻底转变了我们的住宅与穿着。聚合物制造而成的赛璐珞催生了影像文化一千年来的最大变革，也就是电影的诞生。铝合金和镍超合金让我们制造出喷射引擎，使得飞行从此变得便宜，进而加速了文化互动。医用和齿科陶瓷让我们有能力重塑自己，并改写了残障与老化的定义。整形手术的英文是plastic surgery，而plastic有“塑料”的意思，

这显示物质往往是新疗法诞生的关键，从器官修补（如髋关节置换手术）到美化外表（如硅胶隆胸）都是如此。德国著名解剖学家冯·哈根斯（Gunther von Hagens）博士展出人体标

本的“人体世界展”，也展现了新颖的生物医用材料对文化的影响，促使我们思考自己生时和死后的物质性。

人类建构了物质世界。如果你想了解其中奥秘，挖掘这些物质来自何处、如何作用，又如何定义了我们，这本书便是献给你的。物质虽然遍布我们周遭，却往往面貌模糊得出奇，隐匿在我们生活的背景中，毫不显眼，乍看很难发现它们各有特色。绝大多数金属都会散发灰色光泽，有多少人能分辨铝和钢的差别？不同的树木差异明显，但有多少人能说出为什么？塑料更是令人困惑，谁晓得聚乙烯和聚丙烯有什么差别？但更根本的问题或许是：这种事有谁在乎？

我在乎，而且我想告诉你为什么。不仅如此，既然主题是物质，是构成万物的东西，那我爱从哪里开始都可以。因此，我选了我在屋顶的照片当成这本书的起点和灵感来源。

我从照片中挑了10种物质，用它们来说“东西”的故事。我会挖掘这10种物质当初发明的动机，揭开背后的材料科学之谜，赞叹人如何用高明的技术把它制造出来。更重要的是，我会说明它为何重要，为何少一物便不能成世界。

在发掘的过程中，我们将发现物质和人一样，差异往往深藏在表面之下，大多数人唯有靠先进的科学仪器才能略窥一二。因此，为了了解物质的性质，我们必须跳脱人类的经验尺度，钻进物质里面。唯有进入这个微观世界，我们才能明了为何有些物质会有味道，有些则无；有些物质上千年不变，有些一晒太阳就发黄变皱；有些玻璃可以防弹，但玻璃酒杯却一摔就碎。这趟微观之旅将揭开我们饮食、衣着、用具和珠宝背后的科学，当然还探索了人体。

不过，微观世界的空间尺度虽小，时间尺度却常常大得惊人。就拿纤维和丝线来说，它的尺寸和头发差不多，是细得肉眼几乎看不见的人造物，我们可以用它来制造绳索、毛毯、地毯和最重要的东西：衣服。我们身上穿的牛仔裤和所有衣服都是微型纤维结构，许多式样比英国的巨石阵还古老。人类历史都记载衣服能保暖、庇护身体，还能穿出时尚，但衣服也是高科技产品，20世纪发明了强韧的纤维，让我们可以制作太空衣保护登陆月球的航天员，还有坚固的纤维可以制造义肢。至于我，我很开心有人发明了一种名叫“克维拉”的高强度合成纤维，可以制作防刀刺的内衣。人类的材料技术发展了几千年，所以我会在书中不断提到材料科学史。

本书每一章不但会介绍一种新材质，还会提供一个认识物质的不同角度。有些主要从历史出发，有些来自个人经验；有些强调物质的文化含义，有些则强调科技的惊人创造力。每一章都是这些角度的独特混合，理由很简单，因为物质太多种也太多样，我们跟物质的关系也是如此，不可能一概而论。材料科学是从技术层面了解物质的最强大、最统合的理论架构，但重点还是关于材料，而不是探讨科学。毕竟所有东西都是由别的东西制成，而制造东西的人（艺术家、设计师、厨师、工程师、家具师父、珠宝匠和外科医生等），对所使用的材料及物质都有属于自己的情感、感觉和运用方式。我想捕捉的就是如此丰富多样的材料知识。

例如，我在讨论纸的那一章用了许多角度，像快照一样呈现，理由不只是纸有各种型态，还因为几乎所有人都以许多方式在用纸。但在讨论生医材料的那一章，我却钻入了“人类物质自我”（也就是人体）的最深处。这块领域正迅速成为材料科学的处女地，不断有新材料出现，开启了名为仿生学的全新世界，让人体得以借助植入物而重建。这些植入物都经过设计，可以“聪明地”融入肌肉和血液的运作中。它们誓言彻底改变人和自我的关系，因此对未来社会有深远的影响。

我在这本书中考察了物质与材料的世界，希望让各位明白我们周遭的材料虽然看起来只是五颜六色的东西，其实远非如此。这些材料都是人类需求与欲望的细致展现。为了创造这些材料，满足我们对衣装服饰和蔽身之处的需要，以及对巧克力和电影的喜好，我们被迫做出一件了不起的大事：我们掌握了这些材料复杂的内在结构。这套理解世界的方式称为“材料科学”，到现在已经有数千年了。它的重要性和“人味”不下于音乐、艺术、电影与文学，却没那么为人所知。在这本书的最后一章，我想更进一步介绍材料科学的语言，因为它指出了一个涵盖所有材料的概念，不仅包括我们之前介绍过的材料，也包括没提到的。

这个涵盖一切的概念是：就算某种材料看起来只有一种颜色，摸起来只有一种感觉，就算它外表只有一个模样，那也只是一种幻觉。任何材料其实都是由许多不同实体组成的，而这些实体会在不同尺度上展现。就像俄罗斯套娃—样，材料的结构都是一层套着一层，几乎每一层肉眼都看不见，每一层都比外层小，并紧密贴着外面那层。这个多层结构不仅让某种材料成为某种材料，也让我们成为我们。

原子是最基础的材料结构之一，但不是唯一重要的结构。一些更大的结构也很重要，如(我只举本书提过的)位错、晶体、纤维、支架、凝胶，等等。这些结构个个就像小说里的不同角色，共同塑造了材料的形状。有时某个角色主导了小说，但只有让所有角色各归其位，才能完整解释材料的性质。例如我们之前解释过，不锈钢汤匙尝起来没有味道是因为结晶内的铬原子会和空气中的氧原子反应形成氧化铬，在汤匙表面形成保护膜。就算表面刮伤，保护膜也会迅速复原，让铁锈来不及生成。于是我们吃饭再也不会尝到餐具的味道。这个分子解释令人满意，但只说明了不锈钢“没味道”的特质。唯有考虑不锈钢的所有内在结构，才能完整了解它的全部性质。万物都由原子构成

从这个角度来看，很快我们就会发现所有材料其实拥有一组共同的结构。最简单的例子就是所有材料都由原子构成。你很快就会发现，金属和塑料有许多共同点，而塑料又和皮肤及巧克力等有许多雷同之处。为了呈现所有材料的共同点，我们需要绘制一张材料的俄罗斯套娃结构图。这不是以单一尺度描绘各种地形的普通地图，而是以多重尺度表达一种地形：材料的内在世界。请见右页图。

让我们从最根本的组成单元开始，那就是原子。原子的大小是我们的一百亿分之一，因此肉眼显然无法看见原子结构。地球上自然存在的原子有94种，但其中8种构成了98．8％的材料与物质，分别是铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙、铝，其他都算是微量元素，连碳也不例外。我们已经能把一些常见元素转换成稀有元素，但得靠核反应堆才能进行，这种方法不仅价格高于采矿，还会产生核废料。这就是为何黄金到了21世纪依然值钱。从以前到现在，人类开采的黄金加起来也只能放满一栋豪华别墅。

某些原子非常有用，但数量稀少，例如钕和白金，但量少不一定是问题，因为材料不单单取决于它的组成原子。就像之前提到的，坚硬透明的钻石和乌黑柔软的石墨，两者的差别不在于原子，它们都是由同一种元素构成的，也就是碳。两者性质的巨大差异来自于原子的排列方式，在于是立方体还是多层堆栈的六角平面。这些排列方式不是随意的，我们无法随心所欲地排列原子。

……

材料拥有意义

不过，不管我们拥有的躯壳是不是人造的，肉身都不是人的全部。我们还活在非物质的世界里，一个由心灵、情感与知觉构成的世界。物质世界虽然不同于心灵世界，却不是毫不相涉。所有人都知道物质世界对心灵的影响有多强烈。坐在舒服的沙发上和坐在木椅上给我们的情绪感受完全不同。这是因为对人类来说，物质从来都不只是实用品。上古考古证据显示，人类一懂得制造工具，就开始制作首饰珠宝、胭脂、艺术与服装。这些材料的发明是为了文化与美感，而文化与美感始终是材料科学发展的强大推力。正是由于材料和社会功能关系密切，我们喜欢的材料和出现在我们身旁四周的物质才会那么重要。材料拥有意义，诉说着我们的理念，让我们成为我们。

材料的意义在我们的日常生活中随处可见，和材料的用途密不可分。金属坚硬而强韧，适合制造机械，但设计师也会刻意使用金属，好把金属可靠及强韧的形象注入产品中。金属外观是工业设计语言的一部分，象征着带给人类大众运输和机械时代的工业革命。我们大量制造和塑造金属的能力也塑造了我们。我们景仰金属，因为它是我们可靠、坚固又强劲的仆人。我们每次坐上汽车或火车、把衣服放进洗衣机、刮胡子或剃腿毛，都得倚靠它。

人类有悠久的历史，使得我们对物质的观感很难一概而论。我们为了许多理由喜欢金属，例如工业感，却也为了同样的理由而讨厌它。每种材料都有许多含意，因此我对本书10种材料所选的形容词并不是唯一的标准答案。那些形容词是我选的，所有的内容也都是从我的角度出发的，目的在凸显一件事：我们每个人都和物质世界有着千丝万缕的关系，而我只是跟你分享我的观点。

我们都很善于察觉材料的意义，有时清楚地知道，有时莫名了解。由于所有物体都由材料构成，因此材料的意义在我们心中无所不在，外界环境也在不断地轰炸我们。无论在农场或都市、火车或飞机上、图书馆或购物中心，材料的意义都在不断影响着我们。当然，设计师和建筑师都会用这些意义来设计服装、产品及建筑，让我们爱上它们、认同它们、想把它们留在我们身旁。材料的意义就这样因我们的集体行为而加强，拥有了普遍的含意。人们购买衣服，通过身上的衣服成为自己希望成为或被迫成为的人。时装设计师是操作这些意义的高手。但我们在日常生活的每一处都会选择材料以反映自己的价值观，从浴室、卧房到客厅都是如此。其他人也会在工作处、都市和机场把他们的价值展示给我们。这是一个持续反思、吸收与表达的过程，它不断重塑身边物质对于我们的意义。

然而，重塑不是单行道。我们想要更强韧、舒适、防水和透气的布料，而为了创造出这种材质，就需要了解物质的内在构造。这推动了人类对材料的科学理解，也推动了材料科学的进展。因此，材料确实反映了我们，以多尺度的结构展现了人类的需求与渴望。

最后再看一眼我在屋顶上的照片，希望读了本书之后，你会开始看到不一样的东西……

这本书实在太迷人了。一旦沉浸其中，你就会开始用米奥多尼克的眼睛看这个世界。我们平日里习以为常的每一样“物质”都隐藏着丰富的故事。这本书读起来真是愉快。

——吉姆·艾尔—哈利利，《悖论》（Paradox）作者

材料学大师的又一力作。米奥多尼克教授有种天赋——他能将构成我们周遭世界的材料的科学知识和它们给人的感官感受，用独特的方式组合在一起，让我们读得兴致勃勃。

——托马斯·赫斯维克，英国当下*火的设计师/2012伦敦奥运会主火炬设计者

一部材料科学的颂歌。米奥多尼克深入探究了金属、纸张、混凝土和巧克力等物质的分子结构和历史，并从细微中发现诗意和美。这同时也是对人类智慧的赞颂——唯有人类拥有独特的能力理解我们周围的物质，并使它们为我所用。

——爱丽丝·罗伯茨，BBC科学节目主持人

《迷人的材料》提醒我，历史学家可能花了太多时间在人说过了什么和写下了什么，却没花足够的时间关注建构了我们现代社会的这些材料上。

——丹·斯诺，历史学家/BBC主持人

我们觉得无聊、平凡，根本不值一顾的东西，竟然有这么多隐藏不现的奇迹……也许早有人说过这些神奇的故事，以及其中相关的科学，但就像好吃的巧克力一样，唯有米奥多尼克知道，要怎么调出*好的味道。

——《纽约时报》书评

我要很难为情的承认，我本来以为材料科学无趣又单调，但《迷人的材料》完全改变了我的想法。现在我发现我会用手指滑过物体表面，然后发出赞叹。米奥多尼克这本生动有趣的书完全改变了我看待世界的方法。

——《华尔街日报》

这本书对构建现代世界的物质做了美好的描述。米奥多尼克写得真好，即使是水泥，在他笔下都显得闪闪发光。

——《金融时报》