迷人的材料(10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事彩图升级版)

作者简介

马克？米奥多尼克，伦敦大学学院材料科学教授，英国皇家工程学会会士，“英国百大影响力科学家”。他乐于为大众讲解材料科学知识，曾担多部纪录片主持人，包括英国广播公司（BBC）第二台制作的《发明的天才》。他还是伦敦大学学院制成研究中心主任。已出版畅销书《迷人的材料》。

内容简介

…… 玻璃透光的奥秘 所以玻璃为何如此神奇，竟然会是透明的？光为何能穿透这种固体，其他物质为何无法让光穿过？玻璃的组成原子明明和沙子一模一样，为什么沙子不透明，玻璃却能透光和屈折光线？ 玻璃（和其他一些材料）是由硅原子和氧原子组成的。原子中央为原子核，包含质子和中子，周围是数量不一的电子。比起原子的尺寸，原子核和电子都微不足道。假设原子是一座体育场，原子核就是场中央的一颗豆子，电子就是周围看台上的沙粒。因此，原子内部（应该说所有物质内部）几乎都是空的。换句话说，原子应该有许多空隙能让光穿透，不会撞到电子或原子核，而事实也是如此。因此，真正的问题其实不是“玻璃为什么是透明的”，而是“为何不是所有物质都是透明的”。 让我们继续使用体育场的比喻。在原子体育场内，电子只能占据看台上的某些位子，就好像大多数座位都移走了，只剩下几排留着，而每个电子只能待在指定好的某一排。电子若想升级到更好的位子，就得多付钱，而所谓的钱就是能量。光穿透原子时会带来大量能量，只要能量够，电子就会用它升级到更好的位子，也就是会把光给吸收，使光无法穿透物质。 不过，事情还另有蹊跷。光的能量必须恰到好处，让电子可以从现在的位子跳到其他空位上。能量太小，拿不到前一排的位子（也就是到前一排所需的能量太高），电子就无法升级，光也就不会被吸收。电子必须取得恰到好处的能量，才能在不同排的位子（称为能级）之间移动，这是原子世界的基本法则，称为量子力学。排与排之间的落差是特定的能量值，这称为量子化。 玻璃里的量子排列方式与众不同，使得移动到空位的能量高于可见光，因此可见光无法让电子升级座位，于是能直接穿过原子。这就是玻璃透明的原因。然而，紫外线之类的高能光就能让电子升等，因此无法穿透玻璃。这就是为什么玻璃能防晒的原因，因为紫外线根本无法穿透玻璃碰到我们。而木头和石块之类的不透明材质，拥有大量的便宜座位，因此可见光和紫外线都很容易被吸收。 就算光没被玻璃吸收，穿过原子时还是会受到影响而减慢速度，直到穿出玻璃的另一面后才会回复原速。若光以斜角进入玻璃，由于光的各组成元素（单色光）进出玻璃的时间不同，使得各色光在玻璃内的前进速度产生差异。这个速度差会让光折屈，也就是折射。光学镜片就是依据折射原理制作的。镜面弧曲会让不同角度的入射光以不同角度折射，只要控制镜面曲度就能放大影像，让人类得以制作显微镜和望远镜，也让戴眼镜的人能看清楚东西。 玻璃推动科学进步 控制镜面曲度的更深远影响，是让光变成了可实验的对象。玻璃工匠在几百年前就已经发现，阳光以某个角度穿透玻璃时，会在墙上形成迷你彩虹，却一直无法解释其原因，只能看图说故事，推断颜色是在玻璃内形成的。直到 1666年科学家牛顿发现看图说故事是错的，并提出正确的解释，世人才终于明白背后的道理。 牛顿的天才之处在于发现棱镜不仅能让“白光”变成七彩色光，还能反转整个过程，把七色光回复为白光。于是他推论，玻璃产生的七种色光其实一开始就在光里。这些色光混成一道光线，从太阳直射而来，进入玻璃后才又各自分散。光穿透水滴会造成迷你彩虹，也是同样的道理，因为水也是透明的。牛顿就这样一举破解了彩虹的秘密，成为提出彩虹原理的第一人。 利用实验替彩虹找出合理的解释，不仅展现了科学思考的威力，也凸显了玻璃对科学实验及破解宇宙奥秘的贡献。并且玻璃的功劳可不仅限于光学，化学更是因它而改头换面，得到的帮助比任何学科都大。只要走一趟化学实验室就能明白，玻璃的透明与惰性，让它非常适合用来混合化学物质和观察反应。在玻璃试管发明之前，化学反应都在不透明的烧杯里进行，因此很难看到过程中发生的变化。有了玻璃这种材质，尤其是耐热玻璃问世之后，化学总算进阶成为一门有系统的科学。 耐热玻璃是加了氧化硼的玻璃。氧化硼分子和二氧化硅分子一样，很难形成结晶，更重要的是玻璃加了它会抑制热胀冷缩。玻璃温度不均时，不同部位的胀缩速率不同，会彼此挤压，在玻璃内部形成应力，产生裂痕最后导致破裂。要是玻璃瓶里装的是沸腾的硫酸，瓶子碎裂还可能导致人残废甚至死亡。硼硅玻璃的出现让玻璃的热胀冷缩从此绝迹，也连带去除了应力，让化学家可以随意加热或冷却化学物质，专心研究化学现象，不必担心可能产生的热冲击。 玻璃还让化学家只用喷灯就能弯曲试管，制作复杂的化学器具（例如蒸馏瓶和气密容器）也容易许多，让他们可以随心所欲地搜集气体、控制液体和进行化学实验。玻璃器材是化学家最听话的仆人，好用到专业的化学实验室都至少有一台吹玻璃机。有多少诺贝尔奖是玻璃从旁边推了一把？又有多少现代发明萌生于小小的试管里？ 玻璃技术是否推动了17世纪的科学革命，两者是不是简单的因果关系，目前还未有定论。玻璃看来更像是必要条件，而非充分条件。但有一点毋庸置疑，就是东方忽视了玻璃整整一千年，而玻璃却在这段时间彻底成了改变欧洲人的一项最宝贵的传统。 玻璃揭开啤酒的面纱 虽然有钱人几百年前就开始用玻璃杯喝红酒，但啤酒直到19世纪之前，都还是用不透明的容器，如瓷杯、锡杯和木杯等来饮用。由于大多数人都看不见自己喝的酒是什么颜色，因此只在乎啤酒的味道，对啤酒的色泽也就不太在意。 当时啤酒大多是深棕色且很浑浊，但到了1840年，现属捷克的波希米亚地区发明了大量制造玻璃的方法，使玻璃的造价降低许多，于是啤酒都能用玻璃杯盛装。 酒客终于见到自己喝的啤酒是什么模样，结果却常常大失所望：所谓的顶层发酵啤酒不仅味道各异，颜色和透明度也不一样。但不出十年，捷克的皮尔森地区就开发出了色泽较淡的底层发酵啤酒，外观金黄澄澈，而且和香槟一样也有气泡。这就是窖藏啤酒。窖藏啤酒不仅好喝，而且好看，它的金黄色泽也一直延续到现在。颇有讽刺意味的是，这么适合用玻璃杯品尝的啤酒，现代人却几乎都用铝罐喝，而一般人常用玻璃杯喝的啤酒，反倒是最不透明的啤酒。它是玻璃杯出现之前就有的古董：健力士黑啤酒。 用玻璃杯喝啤酒还有一个意料之外的副作用。据英国政府统计，每年遭到酒杯或酒瓶攻击的人数超过五千，消耗医疗费用超过二十亿英镑。虽然不少酒馆和夜店尝试过许多种塑料杯，这些塑料杯虽然同样透明坚固，却始终不成气候。 用塑料杯喝啤酒跟用玻璃杯喝，感觉完全不同。塑料不仅味道不同，而且热传导系数较低，使它在口中的感觉比玻璃温暖，降低了畅饮冰啤酒的快感。此外，塑料还比玻璃柔软许多，因此很快就会失去光泽、满布刮痕、不再透明，不仅会遮住啤酒的亮眼色泽，还会让我们产生杯子不干净的观感。玻璃的一大魅力就是它外表晶莹剔透，就算有脏污也看起来仿佛很干净，让我们愿意接受集体催眠，不会去想这酒杯可能一小时前被别人的嘴碰过。 发明耐刮塑料是材料科学的一大目标。有了它就能制造更轻的窗户供飞机、火车和汽车使用，也能制造更轻的手机屏幕，但目前还完全见不到任何可能。不过，我们倒是发现了另一个解决方法，不是找东西取代玻璃，而是让玻璃更安全。 这种玻璃称为强化玻璃，是汽车工业的发明，目的是减少发生车祸时因玻璃碎片造成的死伤。不过，它的科学起源来自17世纪40年代一个有名的奇珍异宝，叫“鲁珀特之泪”。鲁珀特之泪是泪滴状的玻璃，圆滑的底端能耐高压，尖锐的顶端只要稍有损伤就会爆裂。它的制作非常简单，只要把一小滴玻璃熔浆滴入水中就行了。玻璃熔浆入水后会急速降温，使得表层收缩，所有原子往内压挤，裂缝因此很难形成。因为只要出现裂隙，挤压的力道就会把裂隙压平。如此一来，玻璃表层就变得非常坚硬，用铁锤猛敲也不会碎裂，实在很不可思议…… cailiao一部材料科学的颂歌，以高超的故事写作手法，引导你步入材料学的神奇世界，探究身边10种寻常之物背后激动人心的故事。将材料的科学知识和它们给人的感官感受组合在一起，勾起人无限的好奇心，并从中发现诗意和美。