材料科学之美《迷人的材料》读书笔记

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本文摘录自[英]马克·米奥多尼克《迷人的材料》(2018,北京联合出版公司)最后一章——后记 材料科学之美。

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。就像俄罗斯套娃一样,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。

材料科学之美《迷人的材料》读书笔记

某些原子非常有用,但数量稀少,例如钛和白金,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。

排列的规则取决于量子力学,而量子力学把原子视为波函数,而非粒子,因此用结构来称呼原子本身以及原子形成的键结更为恰当。有些量子结构会产生可移动的电子,使得该材料可以导电。石墨的结构就是如此,所以能导电。钻石里的原子跟石墨相同,但结构方式不同,使得电子在晶格内无法自由移动,因此钻石不会导电。钻石呈现透明也是同样的道理。这个看似炼金术的现象告诉我们,就算原子的种类极少,也可以创造出性质极为不同的材料。人体就是很好的例子。大多数的器官和组织都是由碳、氢、氧、氮所组成,而这四个成分的排列组合只要稍微变化,再加上钙和钾之类的矿物质点缀,就能形成头发、骨骼和肌肤等极为不同的生物材料。这就是材料科学的金科玉律:单是知道材料的基本化学组成,并无法了解材料的特性。这个法则不仅对技术发展非常重要,更具有深远的哲学意义,毕竟现代社会就是靠它才得以存在的。

因此,组合原子才能创造材料。由一百个左右的原子堆叠而成的骨架就叫纳米结构。1纳米是十亿分之一米,属于这个尺度的物体叫大分子,也就是由数十到数百个原子组成的较大结构,例如我们体内的蛋白质和脂肪。塑料的主要成分也属于这一类,比如制造赛璐珞的硝化纤维素和必须从木浆中去除才能造纸的木质素。纳米尺度的多孔结构就是非常细致的发泡材料,例如气凝胶。 

结构尺度影响大

在之前的章节中,这些结构看似面貌不同,其实都有一个共同点,就是它们的性质都出自纳米结构,调整这个尺度的结构就会改变它们的性质。人类操控纳米世界已经有数千年历史,只不过之前靠的是化学反应或炉床冶炼之类的间接方式。铁匠打铁其实是在改变铁内结晶的形状,让纳米尺度的位错“成核”,亦即让晶体内的原子以音速跳到另一个晶体。我们的肉眼当然看不见这么微小的变化。在人的尺度上,我们只会看见铁改变了形状。这就是为什么我们过去觉得金属是“铁板一块”,因为我们直到这些年才掌握了结晶内部的复杂机制。

纳米科技之所以在最近蔚为风潮,是因为我们现在有了显微镜等工具,能直接在纳米尺度进行操控,创造大量的纳米结构。我们现在能做出搜集光转化成电来储存的纳米结构,以做出发光源,甚至做出能感受气味的纳米粒子。纳米科技似乎拥有无限可能,但更有趣的是,许多纳米结构都能自我合成,也就是这些材料能自行生成。听起来很诡异,但完全符合已知的物理定律。汽车马达和纳米马达的差别在于,纳米世界的主要作用力为静电力和表面张力,纳米尺度下的重力非常微弱,而前述两种作用力却特别强。但对车子而言,最强的作用力是地球的重力,重力会让车子肢解。因此我们可以设计纳米机械,让它能利用静电力和表面张力自动合成与自行修复。细胞内部本来就有这套分子机制,所以才会自行生成,但在人的尺度上就需要力气和强力胶了。

纳米结构太小了,人类看不见也摸不着。为了让材料能和人互动,就必须组合纳米结构,让它变大十到一百倍,聚合成显微镜下可见的结构。不过,即使变大到微观尺度,肉眼依然看不见。硅芯片是20世纪最伟大的科技突破之一,它就属于微观尺度。硅芯片由硅结晶和电导体聚积而成,是电子世界的动力火车。我们身边的电子设备包含了数十亿个硅芯片,它们能播放音乐、拍摄度假相片和洗衣服。它们是人造的大脑神经元,尺寸相当于人体的细胞核。奇怪的是它们没有会动的部位,完全靠本身的电磁性质来控制信息流。

生物细胞、铁结晶、纸的纤维素纤维和混凝土原纤维也属于微观尺度。这个尺度中还包括一个伟大的人造结构,就是巧克力的微观结构。可可脂结晶有六种结晶构造,熔点各不相同,使得巧克力拥有非常特殊的口感。糖的结晶和包含巧克力香味分子的可可粉也属于这个尺度。改变巧克力的微观结构就能改变巧克力的味道与口感,而这正是巧克力师傅的本领所在。

材料科学家正开始设计可以控光的微观结构。这类人造“超材料”具有可变的折射率,可以把光曲折成任意角度。这项技术催生了第一代的隐形斗篷,只要围住某个物体,它就会弯折射向物体的光线,让人无论从任何角度看都会觉得那个物体消失了。

肉眼可见的尺度

介观尺度含纳了原子结构、纳米结构和微观结构,是肉眼可见的临界点,手机的触控屏幕就是很好的例子。它看来平滑细致,但只要把水滴在屏幕上,水珠就会产生放大效果,让人看见它其实是由微小的像素组成的,而且有红、蓝、绿三种颜色。这些微小的液晶可以个别调控,组合成人类肉眼能见的所有颜色,而且能迅速开关,因此可以用来看电影。瓷也是介观结构改变而得到的成果,是另一个很好的例子:由不同的玻璃和结晶结构组合在一起,创造出强韧、光滑又色泽丰富的材料。

袖珍尺度由原子结构、纳米结构、微观结构和介观结构组成,是肉眼刚巧可见的大小。丝线、头发、缝针和这本书的铅字都属于袖珍尺度。

当你欣赏和抚摸木理时,就是在袖珍尺度下感受这些结构的组合。这个尺度的组合让木头拥有独特的质感,坚而不硬、轻巧温暖。同样的道理,绳索、毛毯和地毯也都属于这个尺度,当然衣服也是。那些较小结构在袖珍尺度的组合,造就了这些材料的强度、弹性、味道与触感。一条棉线的外表可能跟丝或克维拉纤维难以区别,是它们在原子、纳米、微观、介观和袖珍尺度的结构上有相当差异,让其中一个足以抵挡利刃,另一个软若牛油。我们的触觉就在这个袖珍尺度上跟物质互动。

最后是人的尺度。这个尺度是之前所有结构的集大成者,我们握在手上、放进嘴里或位于我们体内的东西都属于此类。这是雕塑和艺术品的尺度,也是管送工程、烹饪、珠宝和建筑的尺度。这个尺度的材料都是我们日常所见的物品,如塑料管、油画颜料、石头、面包和螺丝等。这些材料的外表再次显得整齐划一,但我们已知道事实并非如此。不过由于这些材料的深刻内涵必须放大才能看见,因此直到20世纪,我们才发现所有物质底下的这个多尺度结构。就是这个多重结构让我们明白,为何所有金属虽然外表相似,性质却南辕北辙,为何有些塑胶柔软好拉扯,而有些坚硬如石,还有我们为何能把沙子变成摩天大楼,等等。这是材料科学最值得骄傲的成就,因为它解释了那么多事情。

设计不同尺度的结构让我们有能力发明新材料,但21世纪真正的难题在于结合所有尺度的结构,形成人的尺度的物体。虽然智能型手机是这种整合的实例,它结合了介观尺度的触控屏幕和纳米尺度的电子元件,因此让整个物体全接上电线,有如布满神经线路般,已经不再是不可能的任务。一旦全面实现,我们的房子、建筑甚至桥梁都将可以自行发电,传送到需要的地方,同时能侦测毁损并自我修复。如果你觉得这听起来像科幻小说,别忘了生物体内的物质早就做到这一点了。

生命与无生命的分野

由于材料的小尺度结构都含纳在大尺度结构内,因此物质的体积越大,结构也越复杂。这表示次原子粒子和量子力学的世界虽然常被视为科学最复杂的领域,其实比牵牛花还单纯许多。

生物学家和医师早就明白了这一点。他们的学科长久以来一直是由经验和实验法则(而非理论法则)所推动,因为他们的研究对象不但大又有生命,且复杂到无法用理论加以描述。然而,第219页的尺度表告诉我们,生命体在概念上其实和无生命体没有区别。两者最大的差异在于生命体内部各尺度的联结更深,不同尺度会彼此沟通,主动组织生命体的内在结构。

无生命体在受到人的尺度的外在压力时,所有尺度都会受到影响,诱使许多内在机制产生反应,最后可能造成无生命体改变形状、断裂、共振或变硬。相较之下,生命体侦测到外力来临时则会采取某种行动回应,例如挡回去或转头逃跑。这类生命反应非常多。树枝是被动的,大部分时间都表现得像无生命体,猫腿则毫无疑问几乎随时都生气勃勃。而科学的重大问题之一就是,不同尺度间的联系加上主动回应,是否足以构成生命现象?这个假说并不是要贬低生命体,而是想抬高无生命物质,它们比外表看上去复杂多了。

从古至今,无论人类科技的发展是快是慢,地球上物质的基本结构方式始终没有改变。地球上有我们认为有生命的生物,也有无生命的物体,例如岩石、工具和建筑等。但随着我们更了解物质,迎来材料的新时代,生命和无生命的界限也模糊了起来。拥有人造器官、骨骼甚至人造大脑的仿生人将变得稀松平常。

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。

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