迷人的材料

序章走进神奇的材料世界
一刀引发的机缘
我站在地铁车厢里,身上有一道13厘米、后来被医生诊断为穿刺伤的伤口在汩汩渗血,我心想:接下来该怎么办?
那是1985年5月的一天,我在车门关上前跳进车厢,把攻击者挡在门外,却没闪过他的一刀,背上被划了一下.伤口像遭利纸割伤一样剧痛,而我看不到伤势有多重.但身为英国人,又是中学生,我心中的难堪压过了应有的常识.因此我非但没有呼救,反而决定*好闷不吭声坐车回家.这么做很怪,但我就是那样做了.
为了让自己分心,别去注意疼痛和鲜血流过背部的不适,我试着回想刚才究竟发生了什么.那家伙在月台上朝我走来,向我要钱.我摇头拒绝.他突然凑得很近,让人很不自在.他盯着我说他有刀,他说这话时喷了几滴口水,洒在我的眼镜上.我顺着那家伙的目光望向他蓝色连帽夹克的口袋,发现他一手插在口袋里,里面凸起了一块.我直觉认为他只是虚张声势,凸起来的是他的食指.接着我心里闪过另一个念头:就算他有刀,也一定是很小一把,才塞得进口袋里,因此绝不可能伤人太重.我自己也有小刀,知道那种刀很难刺穿我身上那么多件衣服,包括我引以为傲的皮夹克、灰色羊毛西装制服、尼龙V领毛衣、白色棉衬衫,外加打了一半的条纹制服领带和棉背心内衣.我脑中迅速浮现一计:继续跟他说话,然后趁车门关上之前把他推开,赶紧上车.我看见车就快来了,确信他一定来不及反应.
有趣的是我猜对了一件事:他真的没有刀.他手上的武器只是一把用胶带缠住的剃刀刀片.那一块小铁片不比邮票大,却一口气割穿了五件衣服,刺破我的表皮和真皮,一点阻碍也没有.我后来在警局看到了那玩意儿,整个人愣傻了,如同遭催眠一样.我以前当然见过剃刀,但那一刻却发现自己根本不了解它.我那时刚开始刮胡子,只看过嵌在比克牌橘色塑料刮胡刀里的刀片,那玩意感觉友善得很.警察问我凶器的事,我们之间的桌子微微晃动,剃刀也跟着摇晃,映着日光灯熠熠生辉.我清楚地看见它的钢刃依然完美无缺,下午那一番折腾没有在上面留下任何刮痕.
我记得后来要填笔录,爸妈焦急地坐在我身旁,不晓得我为何停笔不前.难道我忘了自己的姓名和地址?其实我是在盯着**页顶端的订书针瞧,很确定它也是钢制的.这一小根其貌不扬的银色金属不仅刺穿了纸面,而且干净利落,精准无比.我仔细观察订书针的背面,发现它两端整整齐齐对折收好,把纸紧紧抱住.连珠宝匠也没有这等功夫.我后来查到世界上**把订书机是工匠亲手为法国国王路易十五打造的,每一根针上都刻着国王的姓名缩写.谁想得到订书机竟然有皇室血统?我觉得这订书针真是"巧夺天工",于是指给父母亲看.他们两人对看一眼,面带愁容,心想这孩子一定是神经错乱了.
我想是吧,因为怪事显然发生了.那一天,我正式成了"材料迷",而头一个对象就是钢.我突然对钢超级敏感,发现它无所不在,其实只要开始留意,就会察觉确实如此.
我在警察局做笔录时,发现圆珠笔尖是钢做的;我父亲焦急地等待时,钥匙圈当啷作响,那也是钢制成的;后来它还护送我回家,因为包住我家车子外壳的还是钢,而且厚度比一张明信片还薄.说也奇怪,那辆小Mini平常很吵,但我觉得它那天特别乖巧,仿佛在代表钢为下午的事向我道歉.回家后,我和父亲并肩坐在餐桌前,安静地喝着母亲煮的汤.我突然停下来,发现自己正拿着一块钢片放进嘴里.我把不锈钢汤匙吸吮干净,拿出来看着它发亮的表面.那勺面又光又亮,连我变形的倒影都看得见."这是什么材质?"我挥动手里的汤匙问父亲,"还有,它为什么没味道?"说完,我把汤匙放回嘴里仔细吸吮,确定它是不是真的没味道.
我脑中涌出了几百万个问题.钢为我们做了那么多事,我们为什么几乎不曾提到它?这材料和我们那么亲密,我们把它含在嘴里、用它去除不要的毛发、坐在它里面到处跑,它是我们*忠实的朋友,我们却几乎不晓得它如此万能的诀窍.为什么剃刀用来切割,回形针却能随意弯折?为什么金属会发亮,玻璃却是透明的?为什么几乎所有人都讨厌混凝土而喜欢钻石?为什么巧克力那么好吃?某某材料为什么外观是那样子、有那样的性质?
材料构筑了我们的世界
自从那天被人刺伤之后,我几乎所有时间都沉迷在材料里.我在牛津大学攻读材料科学拿到博士,研究主题是喷气发动机用合金,接着又到全球各地*先进的实验室担任材料科学家和工程师.我对材料愈来愈着迷,手边收藏的特殊材料也愈来愈多.那些样本如今都纳入我跟同事兼好友赖芙琳(ZoeLaughlin)和康林(MartinConreen)共同打造的材料馆里.其中有些怪得离谱,例如美国航空航天局的气凝胶,成分有99.8%是气体,感觉就像固态烟雾;有些具有放射性,例如我在澳洲一家古董店很里面的角落发现的铀玻璃;有些很小却重得夸张,例如要费尽千辛万苦才能从钨锰铁矿提炼铸成的钨条;有些虽然常见却隐含不为人知的秘密,例如自愈型混凝土.这座材料馆目前位于英国伦敦大学学院的制成研究中心,里头收藏了上千种材料,呈现出建构我们这个世界——从住家、衣服、机器到车辆的各种原料.你可以用它们重建文明,也可以用它们毁灭世界.
然而,我们还有一个更巨大的材料馆,里头收藏了数百万种材料,这是已知*大的材料馆,而且收藏数量一直呈指数增长:那就是人造物的世界.请看本页的照片.这是我在我家屋顶喝茶的照片.这张照片非常普通,但如果仔细观察,就会发现它像一份型录,列出了建构我们整个文明世界的各种材料.这些材料很重要.拿掉混凝土、玻璃、织物、金属和其余材料,我就只能光溜溜地飘在空中发抖.我们或许自认为文明,但文明绝大多数得归功于丰饶的物质.少了物质材料,我们可能很快就得和其他动物一样为了生存而搏斗.因此从这个角度看,是衣服、住宅、城市和各式各样的"东西"让我们成为人(只要去过灾区就知道我在说什么),而我们用习俗和语言让它们具有生命.因此,材料世界不仅是人类科技与文化的展现,更是人类的一部分.我们发明材料、制造材料,而材料让我们成为我们.
文明时代就是材料时代
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)就可以看出材料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材料出现而促成的.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、蒸汽机和邮轮.修建英国大西部铁路与桥梁的伟大工程师布鲁内尔(IsambardKingdomBrunel)用材料改造了地景,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形态.产品和服装设计师用塑料彻底改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*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气发动机,使得飞行从此变得便宜,进而加速了文化互动.医用和牙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plasticsurgery,而plastic既有"整形"也有"塑料"的意思,这显示材料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(GunthervonHagens)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.材料虽然遍布我们周遭,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,既然主题是材料,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种材料,用它们来说"东西"的故事.我会挖掘这10种材料当初发明的动机,揭开其背后的材料科学之谜,赞叹人如何用高明的技术把它们制造出来.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,我们将发现材料和人一样,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,为了了解材料的性质,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材料会有气味,有些则无;有些东西上千年不变,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*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编织结构,而许多结构的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"凯芙拉"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材料,还会提供一个认识材料的不同角度.有些主要从历史出发,有些来自个人经验;有些强调材料的文化含义,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,因为材料太多种类也太多样,我们跟材料的关系也是如此,不可能一概而论.材料科学是从技术层面了解物质的*强大、*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的,而制造东西的人(艺术家、设计师、厨师、工程师、家具师傅、珠宝匠和外科医生等),对所使用的材料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形态,还因为几乎所有人都在以许多方式使用纸.但在讨论生物医用材料的那一章,我却钻入了"人类的物质自我"(也就是人体)的*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.
看不见的微观世界影响大
由于万物都由原子组成,因此我们无法不谈原子的运作原理,也就是人称量子力学的理论.这表示我们一旦进入微观原子世界,就必须完全舍弃常识,开始谈论波函数和电子态.愈来愈多材料从这个微观尺度创造出来,而且这些材料看起来几乎无所不能.运用量子力学设计而成的硅芯片已经催生了信息时代,而以同样方式设计的太阳能电池很有潜力,只靠阳光就能解决能源问题.不过革命尚未成功,我们还在使用石油和煤炭.为什么?在发电领域有一个明日之星——石墨烯,我会试着用它来解释当下发电方式的局限.
简而言之,材料科学的基本概念就是:看不见的微观世界若有变化,那么在人的尺度之中,物质行为也会跟着改变.我们的祖先能做出铜和钢之类的新材料,就是因为碰巧蒙到了这个过程.差别只在于老祖先没有显微镜,看不见自己在做什么,但这只让他们的成就显得更加惊人.比方说,敲打金属不只会改变它外在的形状,还会改变它内在的结构,因此若用某种方式敲击,金属的内在结构就会有所改变,使它变得更硬.我们的祖先从经验中学到了此事,只不过并不知其所以然.人类的材料知识从石器时代开始就不断累积,但直到20世纪才掌握了材料的真正结构.然而,蕴含在铸铁和其他工艺里的经验知识依然重要,而本书提到的材料也几乎都是经由我们手脑并用才发现和认识的,因此认识材料不仅靠脑袋,也靠双手.
人在感觉和生活上都和材料建立了关系,这带来了许多奇妙的结果.有些物质虽然有瑕疵,我们却爱不释手;有些材料很实用,我们却深恶痛绝.就拿陶瓷来说吧.陶瓷是餐具的原料,我们的杯碗瓢盘都是陶瓷做的,无论住家或餐厅,少了陶瓷就不完整.
人类从几千年前发明农耕以来就在使用陶瓷,然而陶瓷用久了容易有缺口、发生龟裂,甚至在不该破的时候摔得粉碎.我们为何不改用更坚固的材料,例如塑料或金属来制作碗盘和杯子?陶瓷在物理上有这些缺点,我们为何还对它不离不弃?许多领域的学者都在问这个问题,例如考古学家、人类学家、设计师和艺术家,但有一门学科专门有系统地研究人对材料的感官反应,并且发现了许多有趣的现象,那就是心理物理学.
例如针对"酥脆感"所做的研究显示,我们觉得某些食物好吃与否不只是跟味道有关,还跟品尝时的声音有关,两者同样重要.这让不少厨师受到启发,开发出具有音效的餐点,而某些薯片商更进一步,不仅让产品更酥脆,还让包装更会发出声音.我在介绍巧克力那一章会讨论材料的心理物理学意义,同时说明材料的感官性几百年来一直是人类发明创造的主要动力.
这本书当然无法涵盖所有材料,也无法尽述材料和人类文化的关系,而是概略介绍材料如何影响我们的生活,并且阐述即使单纯如在屋顶上喝茶的活动,也必须倚赖复杂的物质网络才能进行.各位不必到博物馆就能领略历史和科技如何推动人类社会,它们的影响此时此刻就在你身旁四周,只是我们多数时候视而不见.我们必须视而不见,因为要是我们整天一边用手指滑过水泥墙面,一边发出赞叹,肯定会被当成疯子.但在某些机缘下你会陷入沉思:我在地铁站被人刺了一刀的那一刻,就属于那样的机缘,而我希望这本书也提供这样的机缘,能让你走进神奇的材料世界.