摘抄
作者马克·米奥多尼克，是伦敦大学学院材料科学教授，英国皇家工程学会会士，入选《泰晤士报》
№2 序章 神奇的材料世界（一）文明时代就是材料时代
我们所生活的万千世界，本身就是一个巨大的材料馆。实际上，“文明”本身就是建立在物质之上，
我们对人类文明发展阶段的划分是以材料为依据的？从石器时代，到青铜时代，再到铁器时代……我们甚至可以说，人类每进入一个新的时代，都是由一种新的材料所促成的。例如，钢促成了工业革命，使我们得以造出蒸汽机、铁路、吊桥、邮轮等；硅及由此制成的硅芯片促成了信息革命，深刻改写了现代人的生活，所以20世纪常被称为硅时代；聚合物制造成的赛璐珞促成了影像文化史上最大的革命——电影的诞生；甚至我们每个人所熟知的塑料，也改变了我们传统的衣食住行模式。
心理物理学。这门学科专门用来系统研究人类对材料的感官反应。
№4 第一章 钢铁是怎样炼成的（1）
作者的一个朋友布莱恩，神秘地向他兜售自己伟大的发明计划——电动磨刀机。
（一）晚熟的科技
在地壳上只有两种金属是自然存在的：铜和金。其他金属都必须从矿石中提炼。
金属具有可塑性，通过加热能够变软甚至流动；
所谓位错，即原子因断裂而偏离了原本的构造。
利用了它的位错。譬如回形针，它之所以能够被随意掰弯而不会像木棍一样断裂，就是因为位错的移动。换句话说，位错决定了金属的可塑性。
（二）金字塔与铜
为了造金字塔，古埃及人制造出了约三十万把铜凿子，以此来凿出理想的岩石形状。光铜凿子这个成就本身也足够伟大了。
合金的原理是什么呢？譬如金银合金，即是用外来的少量银原子取代了每个晶格里一个金原子的位置，由于外来原子的大小、结构、性质不同，扰乱了原本金属晶体的结构，从而使位错更难发生，因此金属才变得更坚硬。
合金还能改变金属的颜色，例如原本透明的纯氧化铝晶体，如果加入铁原子，就变成了所谓的蓝宝石；如果加入了铬原子，则变成红宝石。
从黄铜时代到青铜时代，再到铁器时代，合金越来越坚硬，其背后便是合金技术的进步。青铜其实便是铜加入了少量的锡和砷。
№ 5 第一章 钢铁是怎样炼成的
（四）贝塞麦炼钢法
一位英国科学家贝塞麦（Henry Bessemer）宣称他以简单工艺制造钢水，进行钢铁的革命。他的方法是把空气灌入熔铁中，让铁里的碳和氧气发生化学反应形成二氧化碳，这样不就能减少碳含量了么？而且二氧化碳的生成会释放出热能，顺带提高熔炉温度，岂不一举两得？许多钢铁制造商买下了这个方法的使用权，结果呢？他们发现这个方法不管用……结果落了个血本无归。
（五）不再夜夜磨刀
1903年，一个美国商人吉列（King Camp Gillette）决定采用贝塞麦法制造的廉价工业用钢来制作刀刃，他认为只要刀片够便宜，用钝了就扔掉，那还何必磨刀呢？
（六）不锈钢的诞生
7 第二章 值得信赖的纸（1）
（一）笔记纸
纸的制作原理是什么呢？我们知道，纸张来源于树木，确切来讲是树木里的纤维素。其流程是：把木材压成碎片，掺入多种化学物质，高温高压烹煮，打断木质素内的键结，最后释放出纤维素。通过这个流程，我们得到的是纸的材料——木浆。
把木浆晾干得到的是初步的粗糙的纸。接着再用漂白剂（如被称为白垩的碳酸钙）使之白皙，再加上其他涂料，防止墨水在纸上晕开（其实就是墨水渗进纤维里并扩散）。
如果在纸上涂上一层硫酸铝，就能使纸更加光滑。
相片也是印在纸上的，只不过是另一种特殊的纸，
（三）书籍
（四）包装纸
（五）发票
（六）卫生纸
（七）纸袋
（八）封面纸
（九）车票
（十）钞票
（十一）电子书
（十二）报纸
（十三）情书
№12 作为基础的混凝土（1）
不断增生的原纤维相互交错，锁住水分，抓住碎石块，直至水泥从凝胶变为固体，这就是混凝土。
材料的断裂有两种方式：
塑性断裂，即材料受拉扯导致晶格重排，使得中间越来越细直至断裂，如把口香糖拉断就是这种断裂。
脆性断裂，这些材料由于无法借助位错实现晶格重排，因此只能整体碎裂，比如玻璃、混凝土。因此，混凝土适合用于受压结构，而非拉扯结构。直到欧洲工业革命兴起，人们才改变了这种限制。
因此莫尼耶在混凝土里加入钢圈，结果恰好水泥和钢材的键结很强，所形成的钢筋混凝土不同于任何其他天然材料。钢筋能够吸收弯曲引力，避免产生裂缝。更为恰巧的是，这两种截然不同的材料的膨胀系数几乎相同，这就意味着，它们能够适应不同的气温，避免了因为膨胀幅度不同而碎裂的危险。由于以上原因，钢筋和混凝土合二为一，成为世界上用途最广的建材。
还有另外一种混凝土制成的布料，称为“水泥帆布”。它可以被卷为一筒，只要加上水就可以随意塑造成不同形状。这种材料最大的用途是救灾。设想一下，只要你往灾区空投几筒水泥帆布，人们就可以用它们搭建临时住所。
№14 美味的巧克力（1）
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（一）入口即化
讲完混凝土，作者马上开始讲巧克力，思维跨度也是有点大。巧克力能作为一种入口即化的“固体饮料”，根本上要依靠可可脂结晶。它有以下几个特点：
熔点和人的体温接近，意味着它平时的状态是固体，和人体接触就会融化。
可可脂含有天然的抗氧化成分，也就是能够天然防腐。
能够形成结晶。
（二）嗅觉与味觉
黑巧克力里通常含有50%的可可脂和20%的可可粉，剩下30%的糖。
（三）可可豆
可可树生长在热带，树干上（而非树枝上）上每个豆荚都包藏了三四十颗可可豆。但是可可豆的味道可一点也不像巧克力。
№15 美味的巧克力（2）
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（四）巧克力的制作
（四）巧克力的制作
收割下来的可可豆，先扔在地上，任其腐烂。两周之后，可可豆开始发酵，它里面的酶让酸和乙醇发生酯化反应，转化成巧克力味道的必要元素。这个发酵过程受气温、成分比例、氧含量等因素影响，因此调控这些变量就能控制巧克力的味道。因此，可可豆的品种、成熟度、发酵时间、气温控制都属于高级商业机密，制造高品质巧克力也需要极为复杂严谨的工艺流程，因此好的巧克力才会那么贵。
（五）巧克力的滋味
巧克力之所以让人上瘾，不仅是因为它味道好，还因为它含有咖啡因和可可碱。两者都是兴奋剂兼抗氧化剂。可可碱对人的效果很温和，但对狗来说确是剧毒。因此千万不能让狗误食巧克力！
№16 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。他发明气凝胶竟是出于对果冻的思考！
氧化硅气凝胶非常特别：放在暗色环境中会呈蓝色，放在浅色环境前会近乎透明。它密度极低，属于固体却与众不同。它内部孔洞极多，99.8%都是空气，几乎没有重量。
而既然它的成分和玻璃一样，为什么它不像玻璃一样透明呢？
№17 充满创造力的塑料
（一）台球的故事
台球从15世纪开始在北欧的宫廷里流行起来，在当时这是一种奢侈的贵族游戏，直至工业革命后，台球桌的成本大幅降低，到现在才遍布各种娱乐场所。
直至19世纪，台球依然是由象牙制成的，自然非常昂贵。
后来，他在硝化纤维素里掺入含有樟脑的溶剂，制成“赛璐珞”，并用它做出了整颗台球。这个过程叫作“塑化”。在赛璐珞发明之前，虽然已经出现了类似的塑料，但赛璐珞被公认为最早的商业塑料。因此，正是海厄特使之成为人人都买得起的材料，而赛璐珞以前也被称假象牙。
（二）塑料的用途
赛璐珞产业在19世纪70年代发展迅速，能够制造出各种各样的颜色、形状，甚至能模仿各种高级材料的质感，比如象牙、珍珠等等。早期的塑料也多用于制造这种“伪劣”产品，以满足普通人对富人生活的渴望。海厄特还尝试过用赛璐珞制作假牙，但是并不成功，因为赛璐珞加压遇热会变形，更糟糕的是它会散发出一股强烈的樟脑味……如果用橡胶假牙的话则有股硫磺味，都不合适。直到20世纪丙烯酸塑料问世后，佩戴假牙才开始变得舒服、无味。
（三）影像世界里的塑料
在以前，摄影是一种有钱人的活动。
没有塑料，电影行业也许就不会存在。塑料对现代文明产生了深远影响，例如塑料制成的黑胶，改变了我们记录音乐和聆听音乐的方式；硅胶则开创了整形外科……
№18 透明的玻璃（1）
（一）自然玻璃
古埃及图坦卡蒙王木乃伊上的圣甲虫首饰，中央的宝石就是沙漠玻璃。
（二）人工玻璃罗马人发现了“助溶剂”——泡碱（碳酸钠），并用它来降低熔化石英的温度，从此能够大量制造玻璃，使之进入寻常百姓的家庭。是罗马人首次用玻璃制作窗户，是罗马人首次在金属上加一层透明玻璃，大幅降低了镜子的造价
同时，因为缺乏玻璃技术，东方工艺再发达也发明不出望远镜和显微镜，而缺乏这些光学仪器，东方也就没法像17世纪的西方那样产生科学革命。
（五）玻璃与啤酒
№19 透明的玻璃（2）（六）强化玻璃
（六）强化玻璃
这种强化玻璃内部有大小相等、方向相反的“张应力”，以便维持表层的压应力，因此原子受到极高的张力，就好像一个小型火药库，一旦表层应力不平衡，就会发生连锁反应，内部原子瞬间弹回原位，使玻璃炸成碎片。但炸碎的玻璃非常细小，因此不会对人造成大的伤害。根据这个原理，汽车的挡风玻璃即使在车祸中遭受撞击，也会碎成数百万个小碎片，而不会割伤人。
坚不可摧的钻石是一种碳材料，可有时候碳也很柔软，例如绘画用的石墨碳笔。
最昂贵的碳结构——钻石
如果碳原子的四个活跃电子跟另一个碳原子分享，形成四个化学键，这样子两两配对，就能形成非常稳固的晶体结构，即钻石。
钻石的色散率非常高，能将射入的光线分解成七色光，因此钻石非常耀眼。
极端坚硬、透明晶莹、七彩光辉，是钻石如此完美的原因。
既然钻石和石墨是同一种物质，无数人（包括拉瓦锡本人）曾争先恐后寻找将石墨逆转成钻石的办法，想要凭此一夜暴富。只不过这个过程需要极高的温度和压力，实验室难以模拟这个环境，钻石的自然形成有时候需要数十亿年。
№23 坚不可摧的碳材料（3）
1985年，克洛图（Harold Kroto）教授及其团队发现了碳原子的另一种排列方式。他们发现，在蜡烛的烛焰内部竟然有碳原子自行集结成超分子，每个超分子恰好包含60个原子，形如足球。这种超分子又叫“富勒烯”。这个团队也因此而获得1996年的诺贝尔化学奖。
№24 精致的瓷器（1）虽然我们生活中也使用塑料杯具，但塑料老化快，而陶瓷则既不怕紫外线降解，也不怕各种化学反应，而且耐磨耐刮，还不会轻易粘上油脂或其他污渍。因此，瓷器能够长期保持原貌。陶瓷似乎长久以来一直具有崇高的地位，比如我们喝茶时，若使用纸杯、塑料杯、金属杯则近乎亵渎。瓷器已成为茶文化不可或缺的一部分。陶瓷的制造，是通过在窑里加热黏土。黏土是矿物微粒和水的混合物，这些矿物微粒都是细小的结晶。黏土受热时，水分蒸发后留下孔洞。而结晶里的原子有些会跳到隔壁的结晶，形成原子桥，使得原本只是堆在一起的结晶群变成单一的整体。历史上很长一段时间，欧洲人都无法像中国一样制作出精美的瓷器。直至18世纪初，炼金术士贝特格（Johann Friedrich Bottger）受命实验制造陶器的方法，最后破解了高岭土和高温这中国人制作陶瓷的两大秘诀。而后英国人花了五十年时间，用本地原料制作出了“骨瓷”。它的制作过程非常繁琐。其原料是混合了各种矿物和兽骨的白色细粉，加了水后形成粘稠的糊状物，经由工人捏制成杯子形状的粗坯。接下来将这些粗坯放进起保护作用的火泥箱（火泥箱用耐火黏土制作，可以承受极高温度，用以充当其他黏土加热时的保护层），再将数百个同样的火泥箱放入窑里，将窑口封死，点燃炭火。随着温度升高，水分蒸发。当温度高达1300摄氏度时，窑里变成白热状体，矿物结晶内部的部分原子形成一条“玻璃河”，渗入结晶内部的所有孔隙，填满茶杯的整个表面。
№26 长生不死的植入物（1）
（一）熟石膏
熟石膏是19世纪土耳其人发明的。熟石膏是石膏脱水硬化后形成的陶土，非常易碎。如果再缠上绷带，绷带的棉质纤维能够阻止石膏裂缝蔓延，以此来强化石膏。
（二）牙痛的烦恼直至1840年，有人发明了“汞齐”，即银、锡、汞的合金，成为人类蛀牙史上的转折点。这三种金属发生反应会形成坚硬耐磨的结晶，而且关键的是，汞齐能够以液态注入牙齿的蛀孔中，之后它会慢慢硬化。它硬化后会膨胀，和牙齿完全如果你放弃补牙，决定拔掉蛀牙换成假牙的话，可以选择瓷牙或者氧化锆牙，它们都比复合树脂坚硬耐磨，颜色也更像牙齿。
（三）用钛固定韧带
韧带是人体的橡皮筋，连结骨骼使人可以自由动作。它具有“黏弹性”，能够瞬间拉长和弹回，但如果保持拉长状态的话它就会变长，这也就是运动员为什么经常做伸展运动的原因，因为他们希望通过拉长韧带使关节更有弹性。但是，韧带一旦断裂就几乎无法复原，只能更换。假使有了可替换的韧带，还需要用螺丝将韧带牢牢拴在膝盖上。
人的身体对植入体内的物质容易排斥，而钛是少数不被人体排斥的材料。而且钛还能和骨骼紧密整合，不会轻易松弛，再加上钛惰性强，不会与人体发生反应，因此用钛来作拴在膝盖上的螺丝再适合不过了。
№27 长生不死的植入物（2）
（四）关节置换手术
实际上，人体最容易耗损的既不是肌肉，也不是韧带，而是关节。
以髋关节置换手术为例，就是先锯掉大腿骨顶端的股骨头，换成钛做的股骨头，再把按照钛股骨头尺寸制作的髋臼钉入骨盆，垫上高密度聚乙烯来充当软骨，就形成了一套人工关节。这套人工关节能让腿部完全恢复活动能力，使数百万老年人重拾活动能力。
（五）再造人体组织
因此即使制造出新的细胞，它们自诞生之日起就已经是老化的细胞。但无论如何，合成人体植入物还是大大改善了人们的生活。
我们所见的世界究竟应该是什么样的世界？
（一）万物都由原子构成
换句话说，材料是由原子组合而成的。什么样的原子固然重要，怎么组合也同样重要。
（二）结构尺度影响大
“介观尺度”是肉眼可见的临界点，包含了原子结构、纳米结构和微观结构。而“袖珍尺度”则指肉眼刚好可以看见的尺度，包括了原子结构、纳米结构、微观结构和介观结构，例如头发、缝针等等。袖珍尺度使人们能感受到物质独特的质感、形状。最后是人的尺度，包括我们拿在手上的、放进嘴里的等东西。正是这些不同尺度，让我们明白，为什么所有金属外表都类似，性质却南辕北辙；为什么有些塑胶很柔软，有些却那么坚硬。
（三）材料的意义
材料的意义和材料的用途密不可分。例如，金属坚硬，适合制造机械，因此带上了可靠、强韧的形象特征。
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