塑造世界的十大材料·引言
摘要 本书考察十种材料——燧石、黏土、铁、金、玻璃、水泥、橡胶、聚乙烯、铝和硅——解释它们是如何形成的、如何被发现的、为何具备各自的特性，以及它们如何塑造了我们的生活、改变了我们的世界。本书作者是一位材料学家，每章探讨一种特定材料为何、以及如何成为人类社会的根本性材料的。本书富有启发性——如果你对人类历史、人类的创造力，以及塑造了这个世界的材料感兴趣，一定会手不释卷。
随着时间推移，人们逐渐发现，每个划分内部都有其复杂性和细微差别，由此催生了进一步的细分。1865 年，英国博物学家约翰·卢伯克（John Lubbock）将石器时代细分为“旧石器时代（Paleolithic age）”和“新石器时代（Neolithic age）”：旧石器时代是 最早期的阶段，以打制燧石工具为特征；新石器时代的年代晚得多，彼时我们的祖先已能将黏土塑形为陶器。从化学角度看，燧石与黏土有诸多相似之处——比如它们的主要成分都是硅元素和氧元素。但作为材料，黏土与燧石截然不同：要把黏土塑造成有用的器物，需要对材料行为有一套完全不同的理解。
旧石器时代跨度极大，在约 200 万年间涌现出诸多技术革新。这促使法国史前学家加布里埃尔·德·莫尔蒂耶（Gabriel de Mortillet）将其进一步划分为三个阶段：旧石器时代早期、中期、晚期（Lower, Middle, Upper）。此后还有更细的划分，以手斧的出现为分界，将非洲最早的砾石工具与石片工具阶段和更晚的时期区别开来。手斧与两个已灭绝的古人类物种——直立人（Homo erectus）和海德堡人（Homo heidelbergensis）——相关联[1]。
石器时代产生了四项重要的材料工艺成果。第一项是通过敲剥石片来塑形燧石，用以制造工具和武器的能力。第二项是将不同材料结合以提升功能的思路，例如把石制尖头装在木杆上，制成箭、矛或镰刀。第三项是用"加法"而非"减法"来造物的概念，例如通过一层层堆叠黏土来制作陶器，而不是像加工燧石那样不断敲掉石片。第四项则是认识到火的重要性。本书中燧石之后的所有材料（以及其他许多材料），在合成与加工的某个阶段都需要用到火。
随着我们对青铜与冶铁技术的演化和传播了解得越来越多，青铜时代和铁器时代也被进一步细分，不过它们各自所持续的时间都比石器时代短得多。对于金属时代来说，这些细分较少着眼于材料本身，而更多关注这种技术在什么地方、什么时间被使用。希腊文明在公元前 3000 年之前就已经开始使用青铜。英伦诸岛大约到公元前1900年才开始使用青铜，而中国则更晚，大约在公元前1600年。造成这种时间差异——跨度超过1000年——的原因之一，是一个社会要进入青铜时代，附近必须有原材料的来源，也就是铜和锡。铜和锡都有各自的富集区域，但如果没有建立起稳定而可靠的贸易路线，我们的祖先并不能方便地获取这两种资源。尽管燧石在世界各地随处可得，但有证据表明，但最高质量的燧石只在某些地区更容易获得，早期最先进的技术和社会往往诞生在这样的地区。因此，原材料条件造成的区域性优势，很可能在青铜时代之前就已经存在了[2]。
青铜的发现终结了石器时代（不过，这并不意味着燧石从人类生活中完全退场）。随后，青铜又被铁取代。再后来，许多原本用铁就能满足的用途，转而使用了性能更优异、适用性更广的铁合金——钢。
尽管三期论从未被正式扩展出第四个（或更多个）时代，但我们可以这样认为：如果要找出一种比其他任何材料都更能定义当下世界的单一材料，那么大约60年前，我们就已经进入了硅时代。从史前时代初期到今天，我们从以燧石工具为特征的石器时代——它们曾为我们的祖先带来演化优势——一路走到了硅时代。硅时代催生了社交媒体、人工智能（AI）、物联网（IoT），将地球上几乎所有人连接在了一起。
本书以燧石开篇，以硅收尾，中间还探讨了另外八种改变世界的材料。
1.1 以材料科学家的眼光看世界
借助三期论，我们可以看到：材料与人类早期历史有着非常密切的联系。以材料命名的这些时代，占据了人类存在史中最为漫长的一段时期：前后跨越数百万年，而从铁器时代结束到今天，不过几千年。对这些时代的细分，既被用来标记人类改造自然能力的重大技术变革（比如打制燧石），也被用来标记人类超越自然所予边界的突破——比如将铜与锡熔炼成青铜。
尽管人类与材料打交道的历史源远流长，但材料科学作为一门独立学科，直到 20 世纪 50 年代初才正式起步。第一个在名称中使用“材料科学”一词的大学院系，出现在美国伊利诺伊州的西北大学。专门发表材料领域最新研究成果的《材料科学学报》（Journal of Materials Science）创刊于 1965 年，不久前刚迎来了它的第 1000 期[3]。然而，人类对材料的研究与探索，却可以追溯到更久远的过去，一直追溯到我们的祖先第一次看到断裂燧石或黑曜石的锋利弧形断面，并意识到它可以用来切割的那一刻。
当一位材料科学家观察一个物体时，例如一件石器时代的手斧，首先考虑的是它的结构：泪滴状，不对称，但表面较为平滑，并带有许多贝壳状断裂留下的痕迹。接下来考虑的是它的性质：边缘锋利，质地坚硬，能够磨削木材、刻划金属。要把一块原本平平无奇的卵石变成这样一件具有明确用途的工具，就必须经过加工。这种转变是有意识进行的，需要明确的意图，也需要相应的技能。最后，还要考察这件工具真正投入使用时的性能：用起来效果怎么样？材料科学这一领域，正是由结构、性质、加工工艺和性能这四者之间的相互关系所界定的，而这四个要素通常被描绘成一个四面体的四个顶点。（材料四面体的四个顶点的说法并不唯一。——译者注）
本书很大程度上是从一位材料科学家的视角写成的。带着这一视角，我试图不仅说明某些材料是“如何”产生影响的，还进一步解释它们“为什么”会产生这样的影响。例如，燧石的断裂行为——这是其微观结构的直接结果；这种微观结构由历经数百万年形成的微小石英晶体构成——让我们的祖先获得了一种进化优势：将肉类纳入食谱。当弗朗西斯·德雷克爵士(Sir Francis Drake)劫掠葡萄牙人和西班牙人的黄金时，他并不知道，他所追逐的这种材料之所以能令伊丽莎白一世女王为之着迷，根源在于金原子最外层电子与原子核之间的相互作用。而正是这种相互作用，造就了黄金迷人的色泽和化学惰性。
随着时间推移，人们对黄金的看法发生了改变。亨利八世的顾问托马斯·莫尔爵士（Sir Thomas More）曾认为，黄金“本身毫无用处”，然而后来，黄金成为一种不可或缺的材料——加工成极细金丝，用于硅芯片的制造。正是黄金的晶体结构赋予了它出色的延展性，使我们能将一盎司黄金拉制成长达50英里的细丝。 在托马斯爵士去世 500 年后的今天，黄金已是纳米技术的主力材料，应用范围极广：从降低汽车尾气排放的催化剂，到将药物直接递送至肿瘤部位来治疗癌症。它可绝非"毫无用处"！
1.2 为什么写这本书
在本书中，我选取了十种无可争议地塑造了我们这个世界的材料。如果这十种材料从未被发现——或者根本不存在——那么我们今天所熟悉的世界将会非常不同。
已经有好几本书采用了与本书类似的写法：由材料科学教授讲述，从人类最早的祖先发现或制作出第一件可用作工具的器物算起，材料在人类发展中发挥的关键作用。也许正如康奈尔大学教授斯蒂芬·萨斯（Stephen Sass）所设想的那样：一块黑曜石被扔到岩石上，撞击之后，碎裂成像剃刀一样锋利的碎片，人们发现这些碎片可以用来切割[5]。也有可能，我们的祖先发现，某些石头的天然形状刚好适合某项特定的工作——切割、砍砸、刮削。最终，经过一段漫长的时间，人们逐渐萌生了一个想法：这些石头可以被有意识地、精心地打制成形，从而造出更实用的工程化工具。
尽管这十种材料的相关故事已有不少人讲过，但材料科学这个领域仍在不断演进——在已有研究成果的基础上，新的发现和进展层出不穷。纳米材料领域尤其如此。比如，金纳米颗粒不仅改变了我们对黄金这种传统材料的认知，包括碳纳米管和二氧化硅纳米颗粒在内的纳米材料，还被掺入混凝土中，使其更加耐久、更加强韧[6]。我们总是透过玻璃看世界，却几乎注意不到它的存在——当然，除非玻璃脏了，或是沾满了油腻的指纹。但纳米结构玻璃正在为这种无处不在的古老材料开辟全新的可能性。比如，一种被称为纳米弹簧的微型玻璃弹簧，已被证明可以有效捕获外泌体——外泌体是正常细胞和癌细胞都会分泌的微小囊泡，能提供疾病进展的相关信息，还可能帮助找到最佳的治疗方案[7]。本书介绍了其中一些令人振奋的创新成果，它们对未来的影响，或许不亚于石器、青铜和铁对过去的影响。
本书的主要读者，是那些希望进一步了解材料、以及材料如何影响我们是谁、我们如何生活的人。虽然本书并非教科书，但其中的内容已被用于华盛顿州立大学荣誉学院开设的一门科学类通识教育课程、南京东南大学吴健雄学院面向工程专业学生的暑期课程，以及墨西哥蒙特雷科技大学克雷塔罗和圣路易斯波托西两个校区的讲座。
1.3 为什么写这十种材料？
本书讲述的这些材料，以各种大大小小的方式塑造了我们的世界。我们通常想到的是材料造福社会的用途，但同样不难发现，人类对材料的使用或追逐，也曾造成过破坏与灾难。至于选哪十种材料来写，多少带有一些个人偏好——这本来就是作者的特权。不过，这十种材料确实覆盖了材料的每一大类别：金属、陶瓷、聚合物和半导体，每一类至少有一种。至于那些没有入选的材料，就留待未来的版本再考虑吧。
钻石——永恒材料。它以无与伦比的硬度，成为加工各类材料不可或缺的工具：从轻质铝合金，到高强度混凝土，再到硅，都离不开它。自 15 世纪起，钻石就象征着承诺与永恒。尽管钻石并非真的永恒不灭——就像雪莉·贝西（Shirley Bassey）在第七部 007 电影主题曲里唱的那样——但我们这辈子大概是看不到钻石自发变成石墨的。
其他有力的候选材料还包括：铀——能源材料，核反应堆的主要燃料；钚——恐惧材料，人造元素之一，是投向日本长崎的原子弹的核心装药；石墨烯——期望材料。石墨烯是一种仅由单层碳原子构成的片状结构，其影响力还无法与本书重点介绍的十种材料相提并论，但许多人认为，凭借其令人惊叹的丰富性质，它或许真能产生同样重大的影响。^1
注释
- 石墨烯可能改变世界的11种方式， https://www.mnn.com/green-tech/research-innovations/stories/10-ways-graphene-could-change-the-world 下载于2019年1月25日。（链接标题为10种方式——译者注）
参考文献
- Corbey, R., Jagich, A., Vaesen, K., & Collard, M. (2016). The acheulean
handaxe: More like a bird’s song than a beatles’ tune? Evolutionary Anthropology,
25, 6–19. - Jacobs, J. (1969). The Economy of Cities. New York: Random House.
- Carter, C. Barry, Norton, M. Grant, & Blanford, Christopher F. (2020).
Celebrating 1000 issues. Journal of Materials Science, 55, 10281–10283. - Materials Science and Engineering for the 1990’s (1989). Report of the Committee
on Materials Science and Engineering, National Research Council, Washington
DC: National Academy Press. - Sass, S. L. (1998). The Substance of Civilization (p. 14). New York: Arcade
Publishing. - 纳米二氧化硅指的是二氧化硅玻璃的纳米颗粒。近期有一篇论文阐述了在水泥中使用纳米二氧化硅的益处：Liu, R., Xiao, H., Liu, J., Guo, S., &Pei, Y. (2019). Improving the microstructure of ITZ and reducing the perme-
ability of concrete with various water/cement rations using nano-silica. Journal of
Materials Science, 54, 444–456. - Ziaei, P., Geruntho, J. J., Marin-Flores, O. G., Berkman, C. E., & Norton, M.
G. (2017). Silica nanostructured platform for affinity capture of tumor-derived
exosomes. Journal of Materials Science, 52, 6907–6916. 这篇论文展示了如何利用二氧化硅玻璃纳米弹簧选择性捕获前列腺癌细胞来源的外泌体——这些纳米弹簧已用相应的受体分子做了"诱饵化"处理。癌细胞分泌的外泌体也被称为癌小体（oncosome）：Stone, L. (2017).
Sending a signal through oncosomes. Nature Reviews Urology, 14, 259.