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序章走進(jìn)神奇的材料世界

一刀引發(fā)的機(jī)緣

我站在地鐵車廂里，身上有一道13厘米、后來被醫(yī)生診斷為穿刺傷的傷口在汩汩滲血，我心想：接下來該怎么辦？

那是1985年5月的24小時，我在車門關(guān)上前跳進(jìn)車廂，把攻擊者擋在門外，卻沒閃過他的一刀，背上被劃了一下。傷口像遭利紙割傷一樣劇痛，而我看不到傷勢有多重。但身為英國人，又是中學(xué)生，我心中的難堪壓過了應(yīng)有的常識。因此我非但沒有呼救，反而決定好悶不吭聲坐車回家。這么做很怪，但我就是那樣做了。

為了讓自己分心，別去注意疼痛和鮮血流過背部的不適，我試著回想剛才究竟發(fā)生了什么。那家伙在月臺上朝我走來，向我要錢。我搖頭拒絕。他突然湊得很近，讓人很不自在。他盯著我說他有刀，他說這話時噴了幾滴口水，灑在我的眼鏡上。我順著那家伙的目光望向他藍(lán)色連帽夾克的口袋，發(fā)現(xiàn)他一手插在口袋里，里面凸起了一塊。我直覺認(rèn)為他只是虛張聲勢，凸起來的是他的食指。接著我心里閃過另一個念頭：就算他有刀，也一定是很小一把，才塞得進(jìn)口袋里，因此絕不可能傷人太重。我自己也有小刀，知道那種刀很難刺穿我身上那么多件衣服，包括我引以為傲的皮夾克、灰色羊毛西裝制服、尼龍V領(lǐng)毛衣、白色棉襯衫，外加打了一半的條紋制服領(lǐng)帶和棉背心內(nèi)衣。我腦中迅速浮現(xiàn)一計(jì)：繼續(xù)跟他說話，然后趁車門關(guān)上之前把他推開，趕緊上車。我看見車就快來了，確信他一定來不及反應(yīng)。

有趣的是我猜對了一件事：他真的沒有刀。他手上的武器只是一把用膠帶纏住的剃刀刀片。那一塊小鐵片不比郵票大，卻一口氣割穿了五件衣服，刺破我的表皮和真皮，一點(diǎn)阻礙也沒有。我后來在警局看到了那玩意兒，整個人愣傻了，如同遭催眠一樣。我以前當(dāng)然見過剃刀，但那一刻卻發(fā)現(xiàn)自己根本不了解它。我那時剛開始刮胡子，只看過嵌在比克牌橘色塑料刮胡刀里的刀片，那玩意感覺友善得很。警察問我兇器的事，我們之間的桌子微微晃動，剃刀也跟著搖晃，映著日光燈熠熠生輝。我清楚地看見它的鋼刃依然無缺，下午那一番折騰沒有在上面留下任何刮痕。

我記得后來要填筆錄，爸媽焦急地坐在我身旁，不曉得我為何停筆不前。難道我忘了自己的姓名和地址？其實(shí)我是在盯著及時頁頂端的訂書針瞧，很確定它也是鋼制的。這一小根其貌不揚(yáng)的銀色金屬不僅刺穿了紙面，而且干凈利落，精準(zhǔn)無比。我仔細(xì)觀察訂書針的背面，發(fā)現(xiàn)它兩端整整齊齊對折收好，把紙緊緊抱住。連珠寶匠也沒有這等功夫。我后來查到世界上及時把訂書機(jī)是工匠親手為法國國王路易十五打造的，每一根針上都刻著國王的姓名縮寫。誰想得到訂書機(jī)竟然有皇室血統(tǒng)？我覺得這訂書針真是“巧奪天工”，于是指給父母親看。他們兩人對看一眼，面帶愁容，心想這孩子一定是神經(jīng)錯亂了。

我想是吧，因?yàn)楣质嘛@然發(fā)生了。那24小時，我正式成了“材料迷”，而頭一個對象就是鋼。我突然對鋼超級敏感，發(fā)現(xiàn)它無所不在，其實(shí)只要開始留意，就會察覺確實(shí)如此。

我在警察局做筆錄時，發(fā)現(xiàn)圓珠筆尖是鋼做的；我父親焦急地等待時，鑰匙圈當(dāng)啷作響，那也是鋼制成的；后來它還護(hù)送我回家，因?yàn)榘∥壹臆囎油鈿さ倪€是鋼，而且厚度比一張明信片還薄。說也奇怪，那輛小Mini平常很吵，但我覺得它那天特別乖巧，仿佛在代表鋼為下午的事向我道歉。回家后，我和父親并肩坐在餐桌前，安靜地喝著母親煮的湯。我突然停下來，發(fā)現(xiàn)自己正拿著一塊鋼片放進(jìn)嘴里。我把不銹鋼湯匙吸吮干凈，拿出來看著它發(fā)亮的表面。那勺面又光又亮，連我變形的倒影都看得見。“這是什么材質(zhì)？”我揮動手里的湯匙問父親，“還有，它為什么沒味道？”說完，我把湯匙放回嘴里仔細(xì)吸吮，確定它是不是真的沒味道。

我腦中涌出了幾百萬個問題。鋼為我們做了那么多事，我們?yōu)槭裁磶缀醪辉岬剿窟@材料和我們那么親密，我們把它含在嘴里、用它去除不要的毛發(fā)、坐在它里面到處跑，它是我們最忠實(shí)的朋友，我們卻幾乎不曉得它如此萬能的訣竅。為什么剃刀用來切割，回形針卻能隨意彎折？為什么金屬會發(fā)亮，玻璃卻是透明的？為什么幾乎所有人都討厭混凝土而喜歡鉆石？為什么巧克力那么好吃？某某材料為什么外觀是那樣子、有那樣的性質(zhì)？

材料構(gòu)筑了我們的世界

自從那天被人刺傷之后，我?guī)缀跛袝r間都沉迷在材料里。我在牛津大學(xué)攻讀材料科學(xué)拿到博士，研究主題是噴氣發(fā)動機(jī)用合金，接著又到全球各地的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任材料科學(xué)家和工程師。我對材料愈來愈著迷，手邊收藏的特殊材料也愈來愈多。那些樣本如今都納入我跟同事兼好友賴芙琳(ZoeLaughlin)和康林(MartinConreen)共同打造的材料館里。其中有些怪得離譜，例如美國航空航天局的氣凝膠，成分有99.8%是氣體，感覺就像固態(tài)煙霧；有些具有放射性，例如我在澳洲一家古董店很里面的角落發(fā)現(xiàn)的鈾玻璃；有些很小卻重得夸張，例如要費(fèi)盡千辛萬苦才能從鎢錳鐵礦提煉鑄成的鎢條；有些雖然常見卻隱含不為人知的秘密，例如自愈型混凝土。這座材料館目前位于英國倫敦大學(xué)學(xué)院的制成研究中心，里頭收藏了上千種材料，呈現(xiàn)出建構(gòu)我們這個世界——從住家、衣服、機(jī)器到車輛的各種原料。你可以用它們重建文明，也可以用它們毀滅世界。

然而，我們還有一個更巨大的材料館，里頭收藏了數(shù)百萬種材料，這是已知較大的材料館，而且收藏?cái)?shù)量一直呈指數(shù)增長：那就是人造物的世界。請看本頁的照片。這是我在我家屋頂喝茶的照片。這張照片非常普通，但如果仔細(xì)觀察，就會發(fā)現(xiàn)它像一份型錄，列出了建構(gòu)我們整個文明世界的各種材料。這些材料很重要。拿掉混凝土、玻璃、織物、金屬和其余材料，我就只能光溜溜地飄在空中發(fā)抖。我們或許自認(rèn)為文明，但文明絕大多數(shù)得歸功于豐饒的物質(zhì)。少了物質(zhì)材料，我們可能很快就得和其他動物一樣為了生存而搏斗。因此從這個角度看，是衣服、住宅、城市和各式各樣的“東西”讓我們成為人(只要去過災(zāi)區(qū)就知道我在說什么)，而我們用習(xí)俗和語言讓它們具有生命。因此，材料世界不僅是人類科技與文化的展現(xiàn)，更是人類的一部分。我們發(fā)明材料、制造材料，而材料讓我們成為我們。

文明時代就是材料時代

從我們對文明發(fā)展階段的劃分(石器時代、青銅時代和鐵器時代)就可以看出材料對我們而言有多么根本和重要。人類社會每一個新時代都是因?yàn)橐环N新材料出現(xiàn)而促成的。鋼是維多利亞時代的關(guān)鍵原料，讓工程師得以充分實(shí)現(xiàn)夢想，做出吊橋、鐵路、蒸汽機(jī)和郵輪。修建英國大西部鐵路與橋梁的偉大工程師布魯內(nèi)爾(IsambardKingdomBrunel)用材料改造了地景，播下了現(xiàn)代主義的種子。

20世紀(jì)常被歌頌為硅時代，是因?yàn)椴牧峡茖W(xué)的突破帶來了硅芯片和信息革命。但這個說法忽略了其他五花八門的嶄新材質(zhì)，它們同樣改寫了現(xiàn)代人的生活。建筑師運(yùn)用大規(guī)模生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)鋼和平板玻璃建起摩天大樓，創(chuàng)造出新的都市生活形態(tài)。產(chǎn)品和服裝設(shè)計(jì)師用塑料徹底改變了我們的住宅與穿著。聚合物制造而成的賽璐珞催生了影像文化一千年來的較大變革，也就是電影的誕生。鋁合金和鎳超合金讓我們制造出噴氣發(fā)動機(jī)，使得飛行從此變得便宜，進(jìn)而加速了文化互動。醫(yī)用和牙科陶瓷讓我們有能力重塑自己，并改寫了殘障與老化的定義。整形手術(shù)的英文是plasticsurgery，而plastic既有“整形”也有“塑料”的意思，這顯示材料往往是新療法誕生的關(guān)鍵，從器官修補(bǔ)(如髖關(guān)節(jié)置換手術(shù))到美化外表(如硅膠隆胸)都是如此。德國著名解剖學(xué)家馮哈根斯(GunthervonHagens)博士展出人體標(biāo)本的“人體世界展”，也展現(xiàn)了新穎的生物醫(yī)用材料對文化的影響，促使我們思考自己生時和死后的物質(zhì)性。

人類建構(gòu)了物質(zhì)世界。如果你想了解其中奧秘，挖掘這些物質(zhì)來自何處、如何作用，又如何定義了我們，這本書便是獻(xiàn)給你的。材料雖然遍布我們周遭，卻往往面貌模糊得出奇，隱匿在我們生活的背景中，毫不顯眼，乍看很難發(fā)現(xiàn)它們各有特色。絕大多數(shù)金屬都會散發(fā)灰色光澤，有多少人能分辨鋁和鋼的差別？不同的樹木差異明顯，但有多少人能說出為什么？塑料更是令人困惑，誰曉得聚乙烯和聚丙烯有什么差別？但更根本的問題或許是：這種事有誰在乎？

我在乎，而且我想告訴你為什么。不僅如此，既然主題是材料，是構(gòu)成萬物的東西，那我愛從哪里開始都可以。因此，我選了我在屋頂?shù)恼掌?dāng)成這本書的起點(diǎn)和靈感來源。

我從照片中挑了10種材料，用它們來說“東西”的故事。我會挖掘這10種材料當(dāng)初發(fā)明的動機(jī)，揭開其背后的材料科學(xué)之謎，贊嘆人如何用高明的技術(shù)把它們制造出來。更重要的是，我會說明它為何重要，為何少一物便不能成世界。

在發(fā)掘的過程中，我們將發(fā)現(xiàn)材料和人一樣，差異往往深藏在表面之下，大多數(shù)人唯有靠先進(jìn)的科學(xué)儀器才能略窺一二。因此，為了了解材料的性質(zhì)，我們必須跳脫人類的經(jīng)驗(yàn)尺度，鉆進(jìn)物質(zhì)里面。唯有進(jìn)入這個微觀世界，我們才能明了為何有些材料會有氣味，有些則無；有些東西上千年不變，有些一曬太陽就發(fā)黃變皺；有些玻璃可以防彈，但玻璃酒杯卻一摔就碎。這趟微觀之旅將揭開我們飲食、衣著、用具和珠寶背后的科學(xué)，當(dāng)然還探索了人體。

不過，微觀世界的空間尺度雖小，時間尺度卻常常大得驚人。就拿纖維和絲線來說，它的尺寸和頭發(fā)差不多，是細(xì)得肉眼幾乎看不見的人造物，我們可以用它來制造繩索、毛毯、地毯和最重要的東西：衣服。我們身上穿的牛仔褲和所有衣服都是微型編織結(jié)構(gòu)，而許多結(jié)構(gòu)的式樣比英國的巨石陣還古老。人類歷史都記載衣服能保暖、庇護(hù)身體，還能穿出時尚，但衣服也是高科技產(chǎn)品，20世紀(jì)發(fā)明了強(qiáng)韌的纖維，讓我們可以制作太空衣保護(hù)登陸月球的航天員，還有堅(jiān)固的纖維可以制造義肢。至于我，我很開心有人發(fā)明了一種名叫“凱芙拉”的高強(qiáng)度合成纖維，可以制作防刀刺的內(nèi)衣。人類的材料技術(shù)發(fā)展了幾千年，所以我會在書中不斷提到材料科學(xué)史。

本書每一章不但會介紹一種材料，還會提供一個認(rèn)識材料的不同角度。有些主要從歷史出發(fā)，有些來自個人經(jīng)驗(yàn)；有些強(qiáng)調(diào)材料的文化含義，有些則強(qiáng)調(diào)科技的驚人創(chuàng)造力。每一章都是這些角度的獨(dú)特混合，理由很簡單，因?yàn)椴牧咸喾N類也太多樣，我們跟材料的關(guān)系也是如此，不可能一概而論。材料科學(xué)是從技術(shù)層面了解物質(zhì)的最強(qiáng)大、最統(tǒng)合的理論架構(gòu)，但重點(diǎn)還是關(guān)于材料，而不是探討科學(xué)。畢竟所有東西都是由別的東西制成的，而制造東西的人(藝術(shù)家、設(shè)計(jì)師、廚師、工程師、家具師傅、珠寶匠和外科醫(yī)生等)，對所使用的材料都有屬于自己的情感、感覺和運(yùn)用方式。我想捕捉的就是如此豐富多樣的材料知識。

例如，我在討論紙的那一章用了許多角度，像快照一樣呈現(xiàn)，理由不只是紙有各種形態(tài)，還因?yàn)閹缀跛腥硕荚谝栽S多方式使用紙。但在討論生物醫(yī)用材料的那一章，我卻鉆入了“人類的物質(zhì)自我”(也就是人體)的最深處。這塊領(lǐng)域正迅速成為材料科學(xué)的處女地，不斷有新材料出現(xiàn)，開啟了名為仿生學(xué)的全新世界，讓人體得以借助植入物而重建。這些植入物都經(jīng)過設(shè)計(jì)，可以“聰明地”融入肌肉和血液的運(yùn)作中。它們誓言徹底改變?nèi)撕妥晕业年P(guān)系，因此對未來社會有深遠(yuǎn)的影響。

看不見的微觀世界影響大

由于萬物都由原子組成，因此我們無法不談原子的運(yùn)作原理，也就是人稱量子力學(xué)的理論。這表示我們一旦進(jìn)入微觀原子世界，就必須舍棄常識，開始談?wù)摬ê瘮?shù)和電子態(tài)。愈來愈多材料從這個微觀尺度創(chuàng)造出來，而且這些材料看起來幾乎無所不能。運(yùn)用量子力學(xué)設(shè)計(jì)而成的硅芯片已經(jīng)催生了信息時代，而以同樣方式設(shè)計(jì)的太陽能電池很有潛力，只靠陽光就能解決能源問題。不過革命尚未成功，我們還在使用石油和煤炭。為什么？在發(fā)電領(lǐng)域有一個明日之星——石墨烯，我會試著用它來解釋當(dāng)下發(fā)電方式的局限。

簡而言之，材料科學(xué)的基本概念就是：看不見的微觀世界若有變化，那么在人的尺度之中，物質(zhì)行為也會跟著改變。我們的祖先能做出銅和鋼之類的新材料，就是因?yàn)榕銮擅傻搅诉@個過程。差別只在于老祖先沒有顯微鏡，看不見自己在做什么，但這只讓他們的成就顯得更加驚人。比方說，敲打金屬不只會改變它外在的形狀，還會改變它內(nèi)在的結(jié)構(gòu)，因此若用某種方式敲擊，金屬的內(nèi)在結(jié)構(gòu)就會有所改變，使它變得更硬。我們的祖先從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)到了此事，只不過并不知其所以然。人類的材料知識從石器時代開始就不斷累積，但直到20世紀(jì)才掌握了材料的真正結(jié)構(gòu)。然而，蘊(yùn)含在鑄鐵和其他工藝?yán)锏慕?jīng)驗(yàn)知識依然重要，而本書提到的材料也幾乎都是經(jīng)由我們手腦并用才發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識的，因此認(rèn)識材料不僅靠腦袋，也靠雙手。

人在感覺和生活上都和材料建立了關(guān)系，這帶來了許多奇妙的結(jié)果。有些物質(zhì)雖然有瑕疵，我們卻愛不釋手；有些材料很實(shí)用，我們卻深惡痛絕。就拿陶瓷來說吧。陶瓷是餐具的原料，我們的杯碗瓢盤都是陶瓷做的，無論住家或餐廳，少了陶瓷就不完整。

人類從幾千年前發(fā)明農(nóng)耕以來就在使用陶瓷，然而陶瓷用久了容易有缺口、發(fā)生龜裂，甚至在不該破的時候摔得粉碎。我們?yōu)楹尾桓挠酶鼒?jiān)固的材料，例如塑料或金屬來制作碗盤和杯子？陶瓷在物理上有這些缺點(diǎn)，我們?yōu)楹芜€對它不離不棄？許多領(lǐng)域的學(xué)者都在問這個問題，例如考古學(xué)家、人類學(xué)家、設(shè)計(jì)師和藝術(shù)家，但有一門學(xué)科專門有系統(tǒng)地研究人對材料的感官反應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)了許多有趣的現(xiàn)象，那就是心理物理學(xué)。

例如針對“酥脆感”所做的研究顯示，我們覺得某些食物好吃與否不只是跟味道有關(guān)，還跟品嘗時的聲音有關(guān)，兩者同樣重要。這讓不少廚師受到啟發(fā)，開發(fā)出具有音效的餐點(diǎn)，而某些薯片商更進(jìn)一步，不僅讓產(chǎn)品更酥脆，還讓包裝更會發(fā)出聲音。我在介紹巧克力那一章會討論材料的心理物理學(xué)意義，同時說明材料的感官性幾百年來一直是人類發(fā)明創(chuàng)造的主要動力。

這本書當(dāng)然無法涵蓋所有材料，也無法盡述材料和人類文化的關(guān)系，而是概略介紹材料如何影響我們的生活，并且闡述即使單純?nèi)缭谖蓓斏虾炔璧幕顒樱脖仨氁匈噺?fù)雜的物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)才能進(jìn)行。各位不必到博物館就能領(lǐng)略歷史和科技如何推動人類社會，它們的影響此時此刻就在你身旁四周，只是我們多數(shù)時候視而不見。我們必須視而不見，因?yàn)橐俏覀冋煲贿呌檬种富^水泥墻面，一邊發(fā)出贊嘆，肯定會被當(dāng)成瘋子。但在某些機(jī)緣下你會陷入沉思：我在地鐵站被人刺了一刀的那一刻，就屬于那樣的機(jī)緣，而我希望這本書也提供這樣的機(jī)緣，能讓你走進(jìn)神奇的材料世界。