万卷好书175：《迷人的材料》3：气凝胶、塑料和玻璃，有哪些动人的故事？
文/杜豆豆
我们接着讲第三个重点：气凝胶、塑料和玻璃，有哪些动人的故事？
1
气凝胶
气凝胶，是一种不可思议的发泡材料。
气凝胶是由美国人契史特勒（Samuel Kistler）于20世纪30年代发明的。奇妙的是，他发明气凝胶的灵感来自果冻。他认为，果冻柔软有弹性，是液体被困在了固体网格中，胶体内的固体和液体是独立存在的。于是，他用气体代替液体，分离出了完整的固体结构。然后，用二氧化硅替换这种网状固体结构，做出了世界上最轻的固体——二氧化硅气凝胶。
气凝胶很特别，就像网上有句话所描述的：“有一种材料身轻如烟，在阳光下绚烂如云彩；有一种材料可以抵御千度高温、呵护娇艳的鲜花；有一种材料可以将1公斤炸药的爆炸威力化为无形；有一种材料你可以穿着它爬雪山、趟火海，毫发无损……”
气凝胶不透明，因为气凝胶内部有数以百亿计的微小表面，能够使它大量散射蓝色短波光，产生蓝天效果。
气凝胶内部空洞很多，99.8%都是空气，所以重量极轻。同时，它还是世界上最好的绝热体。但可惜的是，造价昂贵，所以基本都用于航天事业。
在太空事业上，气凝胶还能被用于采集太空星尘。这是因为，气凝胶里的每一个“泡泡”遭到太空粒子撞击时，都能吸收一点点能量，而每立方厘米内有数十亿个泡泡，所以能够完好无缺地接住太空尘。在一次2002年的航天任务里，气凝胶还完成了人类首次的彗星尘埃采集任务。
目前，气凝胶用于其他领域的研发正在加快。比如，替代双层玻璃，成为纺织原料来制作世界上最轻暖的毯子，取代羽毛被和睡袋，制成户外服饰和鞋子，开发成吸收有毒废料和气体的产品等等。
期待这种有魔力的材料，能有一天成为我们日常生活的一部分。
2
塑料的诞生，充满了创造力。
它的发明，还是因为从15世纪开始在北欧宫廷盛行的台球。那时的台球，是昂贵的象牙制成的。这是因为，象牙硬度高，足以承受上千次高速撞击而不会破碎。同时，象牙还容易塑形成球，以及上色。
进入19世纪时，有人曾经刊登广告，用1万美元的奖金征召可以发明替代象牙材质的人。果然，重赏之下必有勇夫。有位科学家海厄特用硝化纤维素做了尝试。但起初做出的球，非常易燃，因为硝化纤维素的成分主要是木浆和硝酸，干了以后会变成棉火药，如果两颗球撞击，很容易冒火星，甚至发生爆炸。
后来海厄特在硝化纤维素里掺入了含有樟脑的溶剂，发明了“赛璐珞”台球，也就是最早商业化的塑料制品。所以，赛璐珞也被称假象牙。
到了19世纪70年代，赛璐珞得到了广泛应用，甚至可以伪造出象牙、珍珠等。海厄特还曾经尝试用赛璐珞做假牙，可惜容易变形，而且有股难闻的樟脑味，结果当然是没成功。直到20世纪，丙烯酸塑料出现，才算找到了假牙比较理想的材质。
海厄特
以前，摄影是奢侈的贵族游戏。不仅相机是木头或者金属做的，而且底片也是涂了感光胶的玻璃，笨重、昂贵、难携带。赛璐珞软片发明后，取代了玻璃底片。相机也被柯达所替代，得以走入千家万户，成为普通百姓也玩得起的艺术。
赛璐珞带来了相机的革新，也发展了电影科技。鲁米耶兄弟根据赛璐璐软片的特性，让连续影像留存到同一卷底片上，然后快速播放，并放大投射，这样一群人就可以同时观赏。电影院就这样起源了。
赛璐璐之后，塑料家族又出现了电木、尼龙、黑胶和硅胶。想想看，电木成了可塑型的木头替代品，尼龙攻占了时装业，黑胶改变了音乐，硅胶开创了整形外科。赛璐璐带来的创造力，对我们的文化产生了多么深远的冲击。
3
透明的玻璃，是很神奇的发明。
人类没有发明人造玻璃的技术之前，大自然也能造玻璃。闪电击中沙漠形成1万摄氏度的高温，会融化沙子，然后形成玻璃柱。陨石的重击，也会产生巨大能量，形成高纯度的玻璃。你看那古埃及图坦卡蒙王木乃伊上的圣甲虫首饰，中心那一颗光灿夺目的宝石，就是奇妙的沙漠玻璃。
古埃及圣甲虫首饰
沙子能变玻璃，是因为它的主要成分是石英，石英是二氧化硅结晶。高温后的二氧化硅结晶会融化，但不会恢复原貌，而是变成了液态结构的二氧化硅固体——玻璃。
罗马人用碳酸钠降低石英熔化的温度，得以大批量制造出玻璃。并且，在金属上加玻璃，造出了镜子。甚至，他们还加热玻璃，做出各种形状，用吹气的方法做出了玻璃酒杯。自此，玻璃技术在西方得到了充足的发展，彩绘玻璃几乎改写了欧洲的教堂建筑艺术，望远镜、显微镜这样的科学仪器，更是直接推动了17世纪西方的科学革命。
中国虽然在纸、陶瓷、金属等领域领先西方上千年，可惜在玻璃的技术上落后了，以致于影响了东方的科学发展。
沙子不透光，可玻璃却是透明的。这个原因，是因为能量和电子的关系。玻璃是硅原子和氧原子的结合，原子中有原子核和围着它的电子。光通过玻璃的原子时，由于玻璃特殊的内部结构，光的能量无法使内部电子移动，不会被吸收，所以能够穿透玻璃，具有透明的特性。而沙子，因为能够吸收光的能量，所以是不透明的。
牛顿借助玻璃棱镜，发现阳光可以变成七色光，反过来，七色光也可以变回白光。由此，他推断出了著名的彩虹原理，也解释出了光透过水滴形成彩虹的原因。
在没有玻璃之前，化学实验都是用不透明的烧杯来进行的。有了玻璃，大大推进了化学实验的进步。后来，人们在玻璃中加入氧化硼，发明了耐热玻璃，更是成了西方近代科学发展的必要条件之一。
以前人们喝啤酒，都是用不透明的容器，比如瓷杯、锡杯等等。19世纪玻璃开始量产后，人们喝啤酒开始用玻璃容器。虽然时不时总成为酒醉后的凶器，但至今，玻璃依然是最有魅力的啤酒容器。
为了解决玻璃的易碎问题，人们还发明了强化玻璃。
这一发明的起源，来自于一个叫做“鲁珀特之泪”的泪滴状玻璃珍宝，它是用一小滴玻璃熔浆滴入水中，迅速降温后挤压了内部空间，变成了坚硬得连锤子都砸不碎的特殊玻璃。
强化玻璃现在主要用在汽车行业，比如挡风玻璃。强化玻璃内部有大小相等、方向相反的“张应力”，一旦原子表层应力不平衡，就会让内部原子发生变化，玻璃爆炸成极细小的碎末，但不会造成对人的伤害。
防弹玻璃是特殊的强化玻璃，是在强化玻璃中间夹上了几层塑料制作出来的。当子弹打中玻璃，表层破碎，子弹能量被部分吸收，塑料夹层又分散了子弹冲击力，因此才能防弹。
美丽的玻璃艺术
（未完待续）
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