迷人的材料：10种改变时间的神奇物质和它们背后的科学故事 [英]马克·米奥多尼克（Mark Miodownik） 著|赖盈满 译

序章 走进神奇的材料世界

一刀引发的机缘

材料构筑了我们的世界

文明时代就是材料时代

看不见的微观世界影响大

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。

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。

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。

1. 不屈不挠的钢 STEEL

布莱恩开始解释他发明的电动磨刀机。他说他的发明会掀起剃刀革命，因为所有人从此只需要买一次刀片。数十亿美元的产业将瞬间化为乌有，而他会一夕暴富，地球矿藏的消耗也将减少。

晚熟的科技

我告诉布莱恩，用他的机器磨出来的刀刃可能要经过几项测试，剃须刀公司才可能认真考虑他的想法。金属是由金属晶体组成的，每片刀刃平均含有几十亿个晶体，晶体里的原子都按特定方式堆积，形状接近完美的立体晶格。金属键把原子固定在位置上，使得晶体变得强韧，而剃须刀的刀刃变钝，是因为它在反复撞击毛发后，晶体的结构改变，金属键被打断或晶体发生了滑移，致使平滑的锋刃上出现小凹洞。

如果要照布莱恩的想法，用电动设备磨利刀刃，就得反转前述整个过程。换句话说，原子必须重新归位，回复成原来的结构。布莱恩想让业者对他的构想认真考虑，不仅需要证明他的发明能重建晶体结构，还必须在原子层面上提出解释，说明为什么这样做可行。摩擦会生热，而不管是以电动或其他方法加热，通常效果都跟他所宣称的相反——热会让金属变软而非变硬。我这么跟布莱恩说，布莱恩说他晓得，但坚称他的电动磨刀机不会加热刀刃。

金属由晶体组成，这个想法可能很怪。因为提到晶体，我们通常会想到透明的多面体矿石，例如钻石或翡翠等。金属的晶体特质从表面看不到，因为金属不透明，而且晶体构造通常小到必须用显微镜才看得见。使用电子显微镜观察金属晶体，感觉就像看到铺得毫无章法的地砖，晶体内则是驳杂的线条，称为“位错”。位错是金属晶体内部的瑕疵，表示原子偏离了原本完美的构造，是不该存在的原子断裂。位错听起来很糟，其实大有用处。金属之所以能成为制作工具、切割器和刀刃的好材料，就是因为位错，因为它能让金属改变形状。

你不必用到锤子就能感受位错的力量。当你拗回形针时，就是把金属晶体弄弯，要是晶体不弯，回形针就会像木棍一样碎裂折断。金属的可塑性来自位错在晶体内的移动。位错移动会带着微量的这种物质，以超音速从晶体的一侧移向另一侧。换句话说，当你拗弯回形针时，里面有将近100，000，000，000，000个位错以每秒数千米的速度移动。虽然每个位错只移动一小块晶体（相当于一个原子面），但已经足以让晶体成为超级可塑性的物质，而非易碎的岩石了。

金属的熔点代表晶体内金属键的强度，也代表位错容不容易移动。铅的熔点不高，因此位错移动容易，使得铅非常柔软。铜的熔点较高，因此也较坚硬。加热会让位错移动，重新排列组合，结果之一就是让金属变软。

对史前人类来说，发现金属是划时代的一刻，但金属数量不多的基本问题仍没有解决。其中一个解决方法，是等天上掉下更多陨石来，但这么做需要很有耐心。每年约有几公斤的陨石掉落地球，但大多数都落入了海中。后来有人发现了一件事，这个发现不仅终结了石器时代，更开启一扇大门，让人类获得了一样似乎永不匮竭的物质：他们发现有一种绿色石头，只要放进热焰里再覆以火红的灰烬，就会变成发亮的金属。我们现在知道这种绿色石头是孔雀石，而发亮的金属当然就是铜。对我们的老祖先来说，这肯定是最神奇的发现，遍布四周的不再是毫无生气的岩石，而是拥有内在生命的神秘物质。

没有金属铜，就没有金字塔

合金通常比纯金属坚硬，原因很简单：外来原子的大小和化学性质，都跟原本的金属原子不同。因此嵌入后会扰动原本金属晶体的物理和电子结构，产生一个关键后果——让位错更难移动。位错更难移动，晶体形状就更难改变，金属也就更坚硬。因此，制造合金就成为防止位错移动的一门技艺。

钢是谜样物质

钢是加了碳的铁，比青铜还硬，而且成分一点也不稀有。几乎每块岩石都含铁，而炭更是生火的燃料。我们的祖先不知道钢是合金，更不知道以木炭形式出现的碳，不只是加热和锻造铁的燃料，还能嵌入铁晶体里。炭在加热黄铜时不会产生这种现象，加热锡和青铜时也不会，只有对铁会如此。我们的祖先一定觉得这种现象非常神秘，我们也是在学会了量子力学后，才明白背后的道理。钢里的碳原子并未取代晶格内的铁原子，而是挤在铁原子之间，把晶体拉长。

还有一个麻烦：要是铁里掺了太多碳，例如比例达到百分之四而非百分之一，形成的钢就会极为易碎，根本无法用来制作工具和武器。这会是很大的麻烦，因为火里的含碳量通常不低，铁加热太久甚至液化后，晶体内就会掺入大量的碳，形成易碎的合金。高碳钢制成的刀剑在战斗中很容易折断。

钢铁是珍贵的军事力量

武士刀完成不可能的任务

日本武士工匠的创新之处在于有能力分辨高碳钢和低碳钢，前者硬而易碎，后者软而强韧。工匠完全凭借外观、触感和撞击时的声音来判断两者。一旦分类完成，他们就用低碳钢制作刀身，让刀非常强韧，甚至有弹性，在打斗中不会轻易折断。至于刀锋则使用高碳钢来制造，它虽然易碎但非常坚硬，因此可以磨得极为锐利。工匠用锐利的高碳钢包覆强韧的低碳钢，以此完成了许多人眼中不可能完成的任务，制作出的武士刀，经得起与其他刀剑对砍、耐得住和盔甲碰撞，且常保锋利，能轻松斩人首级。这种武士刀是两全其美的最佳武器。

人类直到工业革命，才有能力制造出比武士刀更强且更硬的钢料。这一回轮到欧洲国家开始进行更大、更夸张的工程，例如建造铁路、桥梁和船舰，而他们使用的材料是铸铁，因为铸铁可以大量制造，并可以使用模具铸形。只可惜铸铁在某些状况下非常容易破裂。由于工程越来越宏大，使得破裂意外越来越常发生。

最严重的一次意外发生在苏格兰。1879年12月28日晚上，全球最长的铁道桥——泰河桥突然被冬季强风吹垮，致使载有75名乘客的客运火车坠入泰河，所有人均不幸罹难。这场灾难证实了许多人先前的疑虑：铸铁不适合兴建桥梁。现在不仅需要做出和武士刀一样强韧的钢材，而且必须能大量制造。

贝塞麦法掀起工业革命

贝塞麦的原始步骤是移除碳到残留量正确为止，也就是剩下大约百分之一的碳。但这个做法很危险，因为每家炼钢厂购买的铁矿来源不同。因此，马希特建议先移除全部的碳，然后再把百分之一的碳掺回。这方法管用了，而且可以再现。

贝塞麦试着推销他的新方法，然而钢铁制造商这回完全不理他，以为这又是骗局一场。他们坚称不可能用铁水炼钢，宣称贝塞麦是大骗子。贝塞麦最后别无选择，只好自己开设炼钢厂。几年后，贝塞麦钢铁公司制造出的钢铁比竞争对手便宜许多，产量更是惊人，逼得对手只好向他购买使用权。从此贝塞麦富甲一方，机器时代也自此正式到来。

不再夜夜磨刀

吉列决定采用贝塞麦法制造的廉价工业用钢来制作抛弃式刀刃，好让每个男人都能轻松刮胡子。他的想法是，只要剃须刀够便宜，钝了直接扔掉，就再也不必磨刀了。

1903年，吉列卖出了51把剃须刀和168枚刀片，隔年变为90，884把剃须刀和123，648枚刀片。到了1915年，他的公司已经在美国、加拿大、英格兰、法国和德国设厂，售出的刀片超过七千万枚。一旦男人不再需要到理发馆刮胡子，抛弃式刀片就成了家家浴室必备的物品，直到现在依然如此。

误打误撞不锈钢

吉列的生意算盘打得很好，原因很多。最明显的一个就是，即使刀片没有因为刮胡子而变钝，也会由于生锈而很快失去锋利，让他永远有生意可做。但这个故事还有一个转折，其中包含了一个简单到极点的创新，非得靠意外才能发现。

1913年，欧洲列强忙着整军经武面对第一次世界大战，布雷尔利（Harry Brearley）受雇钻研合金，以便改良枪管。他在英国雪菲德郡一间冶金实验室工作，把不同的元素掺入钢里来模铸枪管，再用机械测试硬度。布雷尔利知道钢是碳和铁的合金，也晓得还有许多元素也能加进铁里，用来加强或减弱铁的性质，但没有人知道原因为何。于是他开始尝试，把铁熔解后加入各种成分，以观察效果。比方说他某一天用铝来试验，隔天就用镍，以此类推。

布雷尔利毫无进展。新铸的枪管如果不够硬，他就扔到角落。他的灵光乍现发生在一个月后。那天他经过实验室，发现那堆生锈的枪管里有东西在闪闪发亮。他没有置之不理，反而打消去酒吧的念头，找出那根没生锈的枪管，立刻明白了它的重要性。他手上拿的是世界上第一块不锈钢。

布雷尔利掺入的两种成分是碳和铬，因为比例刚好，意外创造出非常特别的晶体结构，让碳原子和铬原子同时嵌入铁晶体内。铬没有让铁变硬，所以他把掺铬的枪管扔了，但没想到铬产生的效用更有趣。钢接触到空气和水时，通常会在表面发生化学反应，形成氧化铁，也就是俗称铁锈的红色矿物质。铁锈剥落后，新的钢面又会受空气和水侵蚀，使得生锈成为钢铁的痼疾，因此铁桥和车子才要上漆防锈。但掺了铬就不同了。铬很像某些特别有礼貌的客人，氧气还没碰到主人铁原子，铬就抢着先跟它反应形成氧化铬。氧化铬是透明坚硬的矿物质，对铁的附着力极强。换句话说，它不会剥落，从外表又看不见，有如一道隐形的化学保护膜把钢铁完全包住。除此之外，我们现在还知道这层膜会自我修复，也就是即使不锈钢的表面磨到了，使保护膜遭到破坏，它也会自行复原。

布雷尔利开始制作全世界第一把不锈钢刀，但立刻遇到困难。含铬的钢不够坚硬，无法磨利，很快就被戏称为“什么都不能切的刀”。毕竟布雷尔利一开始舍弃了它，没拿它来做枪管，就是因为它不够硬。但含铬的钢虽然硬度不足，却让它因此具备别的长处，只不过这长处到很后来才有人发掘，那就是它可以扳成复杂的形状。这让它成为英国雕塑史上最具影响力的作品，几乎遍布所有家庭：那就是厨房的水槽。

不锈钢水槽既强韧又闪亮，而且似乎丢什么给它都无妨。在这个但求以迅速方便的方法来去除废弃物和脏污的年代，不管丢入的是油脂、漂白水还是强酸，不锈钢真的百毒不侵。它已经把陶瓷水槽赶出厨房，而只要我们点头，它也乐于取代浴室里的陶瓷马桶。只不过我们对这种新材质还不够信任，仍不敢把最私密的废弃物交给它。

不锈钢是现代世界的缩影。它的外表干净明亮，感觉坚不可摧却又非常亲民，才出现短短一百年，就已经成为我们最熟悉的金属。毕竟我们每天都会把它放到嘴里：布雷尔利最后用不锈钢做成餐具。氧化铬在铁的表面形成的透明保护膜，让舌头永远碰不到铁，唾液无法跟金属反应，使得汤匙尝起来没有味道，于是人类从此再也不会受到餐具味道的干扰。不锈钢经常出现在建筑和艺术里，原因是它光亮的表面似乎永不褪色。英国雕塑家安尼施•卡普尔（Anish Kapoor）在芝加哥千禧公园的作品“云门”就是绝佳的例子。不锈钢反映了我们对现代生活的感受：利落明快，并且能对抗肮脏、污秽与混乱。不锈钢反映出，我们如它一般强韧不屈。

冶金家为了解决不锈钢刀具的硬度问题，误打误撞解决了剃刀生锈的毛病，创造出有史以来最锋利的刀刃，进而改变了无数人的面容与肌肤。只是刮胡子成为在家也能做的事情后，街头混混也意外地多了一种新武器，就是便宜耐用的刀片，而且非常锋利，能够一口气划破皮革、羊毛、棉布和皮肤。关于这点我比谁都要清楚……

我一边想着这些，一边跟布莱恩谈论他新发明的不锈钢刀片磨刀法。既然坚硬强韧、尖锐锋利、无惧水和空气侵蚀的不锈钢，也是从几千年的尝试错误中创造出来的，那么某个没有科学背景的家伙，无意间发现磨利刀片的新方法也就似乎不无可能了。微观下的物质世界如此复杂和巨大，我们只探索了其中一小部分。

那天晚上离开酒吧时，布莱恩和我握手道别，说他会再跟我联络。在昏黄的钠光路灯下，他一拐一拐走在街上，忽然转身醉醺醺地大吼：“不锈钢大神万岁！”我想布莱恩指的是希腊神祇赫菲斯托斯。他掌管金属、火与火山，形象是工房里的铁匠。赫菲斯托斯身体残缺畸形，原因可能是砷中毒，因为当时的铁匠熔炼青铜时，会接触到大量的砷，所以常有这个毛病，而且除了跛脚还会罹患皮肤癌。我回头望着布莱恩摇摇晃晃地走在街上，想起他的拐杖和红脸，不禁怀疑他到底是谁。

2. 值得信赖的纸 PAPER

化身为笔记纸

初步完成的纸是棕色的，而且非常粗糙。要让它变得白皙光滑，我们需要使用化学漂白剂，并加入细致的白粉，例如称为白垩的碳酸钙。接着还要加上其他涂料，以防墨水一沾到纸就渗进纤维里晕开。理想的结果是，墨水应该在稍微渗入纸面后随即干涸，让有色分子固定在笔记纸的纤维网络里，留下永久的痕迹。

保存记录

纸放久了会变黄有两个原因。如果是用廉价的低阶机械纸浆制成的纸，里头仍带有一些木质素。木质素遇到光会和氧发生化学作用，形成发色基，也就是颜色载体，只要浓度增加就会让纸发黄。这种纸通常用来制造廉价的抛弃式纸制品，报纸受光照射后会迅速泛黄就是这个道理。

以前的人经常会在纸上涂抹一层硫酸铝，好让纸更光滑。硫酸铝的主要用途是净水，但在制纸过程中使用却会形成酸性，导致纸纤维和氢离子反应，使纸张发黄，并且让纸更脆弱。19世纪和20世纪有大量的书是用这种“酸纸”制成的，这类书在书店和图书馆里很容易认出来，只要看纸呈浅黄色就知道了。其实就连无酸纸也会老化泛黄，只是速度较慢罢了。

纸的老化还会生成数种容易挥发的有机分子，让古书和旧纸发出味道。目前图书馆会主动研究这些味道背后的化学成因，看能不能用这些知识来监控、保护大量的藏书。虽然书的味道代表朽坏，许多人却觉得这气味相当好闻。

印成相纸

相纸对人类文化影响深远，作用难以估计。它提供了一种可标准化的身份认证方式，成为辨认我们容貌的最终依据，甚至能定义我们到底是谁。照片的独断权威来自它（看似）大公无私的特质，而这要归功于它捕捉影像的方式。这个方式能成功又是因为纸：反射光和纸里的化学物质反应，自动记下你脸庞的亮部与暗影，使得形成的影像毫无偏私。

我父亲的这张黑白照片原本只是一张白纸，上头涂了一层细致的凝胶，成分为溴化银和氯化银分子。1939年，从我父亲身上反射的光穿过相机镜头落在相纸上，把溴化银和氯化银分子变成微小的银结晶，在相纸上形成灰斑。倘若这时把相纸移出相机外，我父亲的影像会消失不见。这是因为原本没有影像的白色区域会大量曝光，并立刻发生反应，相纸会全部黑掉。为了预防这一点，照片要在暗房里用化学药剂“定影”，把未反应的卤化银从相纸上洗掉。再经过烘干和处理后，我父亲的影像就此定形，让他（而不是其他男孩）顺利躲过集中营的厄运。

印制成书

一直要到罗马人舍弃卷轴改用抄本，即现在称为“书”的东西，纸的潜能才彻底发挥。转眼两千多年过去，白纸黑字依然是人类书写的主要方式。

罗马“抄本”是把成叠的纸以单一书脊装订成册，再加装前后封面。这种做法胜过卷轴之处，在于纸的正反两面都能写字，可以逐页阅读不会中断。有些地区则采用屏风装订，把一张纸反复折叠成册，也有同样的好处。不过，抄本的长处在于它是单页集合成册的，可以把一本书拆给多位抄写员同时作业，印刷术发明之后更是能同时大量制作某一本书。而生物学已经告诉我们，保存信息最有效的方法就是快速复制。

据说《圣经》是第一本以这种方式制作的书。抄本非常适合基督教的传道者，因为他们可以直接用页码在抄本上标注相关段落，不必费劲看完整个卷轴。抄本是数字时代之前的“随取记忆”，甚至永远不会被数码媒介取代。

变身为包装纸

纸有非常适合凹折与弯曲的力学构造。大力折纸会让该部位的纤维素纤维断裂，产生永久的弯折，但仍有足够的纤维没有受损，使得纸张不至于撕开或断裂。这种情况下，纸其实还是很难撕裂，但只要折痕边稍有破口，出现小小的施力点，很容易就能沿着折痕轻松撕开。这两项特点让纸可以凹折成任何形状，几乎没有其他材料可以媲美，也促成了折纸艺术的出现。金属箔膜可以折出折痕，但不是很好弄；塑胶板除非够软，否则无法保持折痕，但太软了又会失去包装东西所需的刚性，无法定形。正是由于纸能维持弯折又可以定形，使得它成为包装礼物的完美选择。

以收据或发票呈现

感热纸上的字不是用墨水印出，而是由纸上预涂的酸剂和“无色”染料作用得来的，只要纸张受热，酸和无色染料就会发生反应，使染料变黑。有了这项精巧的纸张设计，机器就永远不会断墨。不过，变黑的染料放久了又会回复透明，使字迹变淡，湮灭掉我们曾经餐餐以咖喱配啤酒的证据。

灵感来源的信封

不可或缺的卫生纸

充满高贵气质的纸袋

光鲜亮丽的封面纸

纸质的转变是尖端科学研究的热门主题。纸的亮度、平滑度和重量都已经证明，它能决定某些杂志的成败，但硬度（应该说易折度）却比较少有人提起。纸若太好折，会感觉很廉价，太硬又让人感觉高傲。纸的硬度取决于“上浆”，也就是高岭土或碳酸钙之类的细粉添加物。这些添加物有许多功能，包括降低纸张的吸水力，让墨水在表面干涸而非渗入纤维，以及用来调节纸的洁白度。添加物和让添加物固着在纤维上的黏合剂会形成所谓的“复合材料基质”，控制这个基质就可以决定纸的重量、强度与硬度。（混凝土是另一个复合材料实例，它也是由两种迥异的材料混合而成，一个是充当“黏合剂”的水泥，一个是称为“增强物”的碎石子。）

不过，讲究纸的外观与质感也不是全无问题。畅销的时尚与女性杂志要求纸必须又硬又轻，结果就是让纸的边缘薄得跟剃刀一样，变得非常锋利。通常纸会弯曲不会割人，但只要手指划过的角度刚好，就会被纸割伤。这种伤口特别痛，但是没人晓得为什么。可能因为通常伤的都是手指，而手指的感觉受器密度特别高，所以比其他部位的割伤还痛。当然，就算遭割伤也是值得的，至少每周必买亮面杂志的那几百万人应该是这么想的。

化身带我去远方的车票

钞票是另类的纸

为了防止伪造，纸钞有几项绝活。首先，它使用的材料和一般用纸不同，不是木质纤维素，而是纯棉。棉不仅能让钞票更强韧，不怕会在雨中或洗衣机里分解，还改变了钞票的声音。清脆声是纸钞最明显的特征之一。

这也是最好的防伪措施，因为棉基纸很难伪造。自动提款机会侦测棉纸的独特质感，人对这种材质也很敏感。如果不确定是不是伪钞，有一个简单的化学方法可以测试钞票是不是棉质的——那就是使用碘笔。许多商家都有这个工具。

用碘笔在木质纤维素做的纸上写字，纤维素里的淀粉会和碘作用，形成色素而变黑。用碘笔在棉质纸上写字，由于纸里不含淀粉，所以不会变色。商家会使用声音和变色这两个简单的方法来自保，以防止收到彩色复印机制造出的伪钞。

不过，纸钞还有一项防伪绝活，那就是水印。水印是嵌在纸钞里的图形或图案，唯有透光时才看得见，也就是你得拿起纸钞对着光来看。虽然叫作水印，但它不是水渍，也不是墨痕，而是稍微改变棉的密度，使得纸钞的某些部分较亮、某些较暗，形成特殊的图形或图案。在英国，钞票上的水印是女王的头像。

是纸又不是纸的电子纸

手持阅读装置（电子书阅读器）的电子“纸”，是使用静电态的亚努斯（Janus）粒子作为电子“墨水”

亚努斯这个名字来自古罗马的变迁之神，他有两张脸，经常跟门户或入口的意象联结在一起。由于亚努斯粒子是实体的墨水，切换文字时粒子必须旋转，因此无法像平板计算机或智能型手机的液晶屏幕那样瞬间显示，也就无法播放电影或其他时髦的玩意儿。不过电子纸有一种舒服的复古感，可能更适合阅读文字。

实实在在的报纸

传达蜜意的情书

3. 作为基础的混凝土 CONCRETE

混凝土要多久才会干

我撒谎是因为不想多聊，结果也如我所愿。撒这种谎是习惯，我生长在伦敦，总需要客气地婉拒陌生人的攀谈。何况我不晓得要是劈头就纠正他，跟他说“混凝土永远不会干，因为水是混凝土的一部分”，他和他的狗会有什么反应。混凝土凝固时会和水作用，引发连锁化学反应，在混凝土内部形成复杂的微结构，因此就算里头锁住了许多水分，混凝土的外表不仅看起来干燥，而且实际上还能防水。

混凝土凝固是相当精巧的化学反应，其中的活性成分为磨碎的岩石，但不是所有石块都管用。想自制混凝土，岩石必须含有碳酸钙，而碳酸钙是石灰石的主要成分。石灰石是生物体层层埋在地底，经过数百万年地壳运动的高温高压融合而成的物质。此外，制造混凝土还需要含硅酸盐的岩石。硅酸盐是硅氧化合物，地壳将近90％由硅酸盐组成，因此某些黏土应该可用。但不能直接把这些成分磨碎混合后再加水，除非你要的是烂泥巴。为了制造会和水反应的关键成分，必须先断开碳酸钙和硅酸盐的化学键。

要做到这一点没那么容易。碳酸钙和硅酸盐的化学键非常稳定，所以岩石很难溶解于水中，也不大会和其他物质发生反应，因此才能挺过风吹雨打屹立数百万年。关键在加热，而且是高达1450℃的高温。森林大火或燃烧木炭至火焰呈红色或黄色，温度也只有600℃到800℃，远不及这个高温。1450℃的火焰是亮白色，微微泛蓝，但没有半点红色或黄色，亮度会让人看了很不舒服，甚至非常刺眼。

岩石在这样的高温下会开始分裂重组，产生一群名为硅酸钙家族的物质。称为家族是因为不同的硅酸钙含有程度不等的杂质，会影响化学反应的结果。制造混凝土需要富含铝和铁的矿石作为点石成金的材料，但比例必须正确，降温后才会形成颜色如月球表面的灰白粉末，用手去摸会感觉很像灰烬，有丝绸的滑顺感，仿佛倒退回到岩石的前身，但很快你的手就会觉得干痒，如同遭细针戳刺。这材料非常特别，却有个无趣的名字，就叫水泥。

水泥粉末只要加水就会迅速把水吸收，然后颜色变深，但不会像其他加了水的岩石粉末般变成烂泥，而是产生一连串化学反应变成凝胶。凝胶是半固体状的流质，小孩爱吃的果冻就是凝胶，大多数牙膏也是。凝胶受制于内在构造，无法像液体一样随意流动。果冻胶化是因为明胶，水泥胶化则是因为水合硅酸钙原纤维。钙和硅酸分子溶解后，会形成极似有机分子的晶体结构（见下图），并且不断生长，化学反应也持续进行，使得水泥内部的凝胶不断改变。

加水多少是关键

任何化学反应都一样，只要成分比例不对，结果就是一团糟。混凝土中如果加水过多，水泥里头就没有足够的硅酸钙能和水反应，水分就会残留在结构体内，使得混凝土强度减弱。但是加水太少又会让部分水泥无法和水反应，同样会削弱混凝土的强度。混凝土出问题通常是人为疏失的结果，但有时可能不会实时发现，所以常常到建筑完成多年，建筑商早就拍屁股走人后才发生巨灾。

2010年海地强震损失惨重，问题就出在房屋兴建不当和混凝土质量欠佳。据估计，当时有二十五万间房屋倒塌，三十多万人死亡，上百万人无家可归。更糟糕的是海地并非特例，全球各地都有这种混凝土不定时炸弹。

追查人为疏失有时很难，因为混凝土从外表看来一切都好。美国肯尼迪机场的主任工程师曾在进行例行查核时，发现中午前送来的混凝土凝固后强度很够，中午过后不久送来的混凝土却弱了许多。他不晓得这是怎么回事，追查了所有可能原因也找不到答案，直到他跟着水泥车到机场才恍然大悟。他发现水泥车司机在中午时通常会休息吃饭，然后用水管为混凝土加水，因为司机以为加水能让混凝土维持液态更久。

砖造建筑的组合特性是它受欢迎的原因。砖是砖造建筑的基本单位，刻意做成手掌大小，以利单人作业。混凝土和砖非常不同，它起初为液体。这表示混凝土建筑可以用浇注法做出连续体结构，从地基到屋顶一气呵成，没有任何接点。

混凝土工程师的绝招是：你要地基，我们就灌地基给你；你要柱子，我们就灌柱子；要楼面就灌楼面。你要两倍尺寸？没问题；想要弧面？当然可以。只要开得了模，混凝土什么结构都做得出来。混凝土的威力清晰可见，造访过建筑工地的人都会爱上它。我一周又一周，都会从碎片大厦工地的观察窗往里看，看得心荡神驰。我看见大楼从地基缓缓兴起，由蚂蚁般的工人一点一滴浇注而成。岩石和石块粉末送到工地，只是加水就成了石块。这不只是工程技术，更是一种哲学、一种圆满。这个圆从地幔经由造山运动生成岩石和石块开始，再由人类接手，把石头和岩石挖掘出来，按照人类的设计转变成人造的地景，变成高楼大厦，让我们在其中居住和工作，成就这一个循环。

混凝土的问世，让建筑师的想象力得以尽情驰骋。古罗马人发明混凝土后，立刻明白可以用它来奠立帝国的根基。他们可以在任何地方兴建港口，因为混凝土在水下也能凝固。他们还可以兴建沟渠和桥梁，而这些基础建设又能把混凝土运送到任何有需要的地方，不必仰赖当地的石头和黏土。因此，混凝土很适合打造帝国。不过，古罗马最宏伟的混凝土工程就在首都，也就是罗马万神殿的穹顶（下图）。它完工两千年来始终屹立不倒，至今仍是世界上最大的无钢筋混凝土圆顶建筑。

万神殿没有因为罗马帝国衰亡而颓圮，但混凝土却销声匿迹了。古罗马停止制造混凝土后，这个世界有一千多年不曾出现混凝土建筑。这项材料技术亡佚的原因至今成谜，可能因为制造混凝土是专门技术，需要技术发达的帝国才能支持，或者因为它没有结合某种技能或工艺，例如打铁、石刻或木工，以至于没有代代流传，也可能是因为罗马混凝土虽然好用，却有个致命的缺陷，而古罗马人虽然晓得，却无法解决。

有两种方法让材料断裂。首先是“塑性断裂”，例如把口香糖拉断就是这样。材料受拉扯后会产生晶格重排而导致延展，使得中间越来越细，最后一分为二。绝大多数金属都可以用这种方法弄断，但因为必须移动许多位错，所以要非常费力才能做到，这也是金属的强度和韧度都高的原因。另一个断裂法是“脆性断裂”，玻璃和茶杯破裂就是如此。这些材料无法借由流动抵消拉扯的力道，只要有一处脆弱就会破坏整体，使得材料断开或碎裂。混凝土碎裂即属此类，这让古罗马人伤透了脑筋。

古罗马人始终未能解决这个问题，只好限制混凝土的用途，只用在受压缩而非受拉扯的结构体，例如柱子、圆顶或地基上，在这些地方的混凝土全都被结构的重量挤压着。在受到挤压的情形下，混凝土就算有裂隙也依然强固。造访有两千年历史的万神殿，你会发现穹顶多年来已经出现不少裂痕，可能是地震或下沉所导致，但这些裂隙不会危害结构，因为整个穹顶都受到挤压。然而，古罗马人尝试用水泥兴建横梁或悬垂楼面时，由于这些结构必须承受弯曲应力，他们势必发现就算出现再小的裂痕也会造成崩塌。当裂痕两侧的建材受自身和建筑的重量拉开，就绝对无力回天。因此，想让混凝土发挥最大功效，像我们现在用它来兴建墙壁、楼面、桥梁、隧道和水坝这样，就势必要解决这个问题。然而，解决方法直到欧洲工业革命兴起时才出现，而且来自非常出人意料的地方。

园艺家发明钢筋混凝土

巴黎园艺家莫尼耶（Joseph Monier）喜欢自己制作花盆。1867年时，花盆都是陶瓦做的，非常脆弱易碎，而且造价昂贵，尤其不适合栽种在温室成长迅速的热带植物。混凝土似乎是更好的选择。它比陶土更容易制作大型花盆，又因为不需要放入窑中烧制，所以也便宜得多。但混凝土的韧度还是不够，因此莫尼耶制作的混凝土花盆还是跟陶瓦花盆一样容易龟裂。

莫尼耶想到一个方法，就是在混凝土里放入钢圈。他不可能知道水泥和钢材的键结极强，因为钢很可能就像放进醋里的油，完全不跟混凝土混合。结果不然，混凝土里的硅酸钙原纤维不仅会吸附石头，也会吸附金属。

混凝土基本上是拟石材，以石头制成，外观、成分和性质也近似石头。但钢筋混凝土就不同了。它跟所有天然材料都不一样。混凝土得到钢筋的加强后，就算受到弯曲应力，也会由混凝土内的钢筋吸收，不会产生大裂缝。钢筋和混凝土合二为一，把原本用途有限的混凝土变成世界上用途最广的建材。

还有一件事莫尼耶当时也不晓得，不过却是强化混凝土的制胜关键。材料不是静态的，会因环境而变化，尤其受温度影响更大。大多数材料都会热胀冷缩，建筑、道路到桥梁，无不因日夜温差而胀缩，仿佛它们会呼吸一样。道路和桥梁的裂隙多半源自于此，如果设计时不将此纳入考量，累积的压力可能会让结构崩塌。任何工程师在推测莫尼耶的尝试结果时，都会认为水泥和钢差异太大，胀缩幅度非常不同，应该会导致结构解体，而且这样的花盆摆在冬冷夏热的花园里应该会碎裂。或许正是因为如此，才会没有工程师愿意尝试，反倒让园艺家来做了。

不过说来巧合，钢和混凝土的膨胀系数几乎完全相同，也就是两者的胀缩率几乎相等。这是个小小的奇迹，而莫尼耶不是唯一的发现者。一位名叫威尔金森（William Wilkinson）的英国人，也凑巧发现了这个神奇组合。钢筋混凝土的时代从此到来。

施工迅速且便宜的建材

每吨一百英镑的价格绝对是世界上最便宜的建筑材料，加上非常适合机械化工法，使得建筑成本还能再往下压。一个人只要有混凝土搅拌机，几周内就能独力完成地基、墙壁、楼面和屋顶。由于结构单一完整，完成的房子能轻松抵挡风吹雨打一百年。地基可防止水分渗透以及昆虫或白蚁的侵蚀，墙壁能抗倒塌和支撑玻璃窗，而且建筑几乎无须维修。瓷砖不会剥落，因为根本不用贴瓷砖，屋顶跟房子一体成形，藤蔓、植物和青草都可以生长于其上，替建筑物调节温度。除了万神殿穹顶之类的圆顶建筑，就只有钢筋混凝土可以支撑屋顶花园。对于发明钢筋混凝土的园艺家来说，这或许是最好的赞美。

碎片大厦越盖越高，我发现我再也不用隔着观察窗才看得到它了。但我的视野反而变得更糟，因为现在所有的工程都在最顶端进行，要从我家的屋顶才能看得清楚。于是我很快就养成习惯，每天早晨都会到屋顶上一边享受咖啡，一边观察碎片大厦的进度。我开始用粉笔在我家的烟囱上记录它的高度变化。只见那楼层越来越高！根据我的计算，建筑工人速度最快时，几乎每几天就会盖好一层楼。

工人能做到这一点，靠的是不断浇注混凝土。水泥车把混凝土运到工地，然后灌入建筑最顶端的板模里。板模依据楼层的大小和形状搭成，里面先架好钢筋作为水泥大楼的骨架。楼面浇注完成后，就卸除板模往上搬，预备浇注下一层楼面，如此不断重复，碎片大厦也越来越高，据我估算，成长速度为每天三米。

最神奇的是，我觉得这个循环似乎能永远继续下去，只要把板模往上搬，然后再浇注混凝土就成了，感觉就像小树新生的枝丫一样。不过，这个循环目前是有极限的。迪拜哈里法塔的高度几乎是碎片大厦的三倍，工程人员发现，要用机器把混凝土垂直打到工地顶端，是很棘手的问题。

不过，这个方法还是非常天才的。这种机械化的建筑方法让混凝土成为极现代的建材，可以通过浇注和浇灌，迅速盖起庞大的建筑。过去的巨型建筑都需要几十年才能盖完，例如欧洲的石造教堂或中国的万里长城，而欧洲第一高楼碎片大厦的主结构只花了不到六个月就完成了。混凝土让人更敢想象与尝试，也使得土木工程师的梦想得以实现。美国胡佛水坝、法国米约高架桥和俗称“意大利面条路口”的英国格瑞夫里山立体交叉桥，都是钢筋混凝土的杰作。

一般说来，钢筋混凝土内的钢筋暴露在风雨中是会锈蚀的，但混凝土内的碱性成分会在钢筋外表形成一层氢氧化铁成为保护膜。不过，随着时间拉长，建筑磨损、剥蚀和长年热胀冷缩，会让混凝土出现小裂痕。这些裂痕会让水分渗入，而水分一旦结冻就会膨胀，导致裂痕加深。这种磨损和侵蚀是所有石造建筑的宿命，也是山的宿命，也就是风化侵蚀的原因。为了防止石材或混凝土结构受到损害，这种建筑物每50年就得养护一次。

不过，混凝土还可能遇到一个更严重的威胁，就是大量的水渗入混凝土，开始侵蚀钢筋，导致铁锈在混凝土内部扩散，造成更多裂隙，破坏整个钢筋结构。盐水更容易造成这种伤害，因为它会破坏氢氧化铁形成的保护膜，让钢筋大量锈蚀。寒冷地区会以撒盐清除积雪和结冰，所以当地的混凝土桥梁和道路经常接触到盐，特别容易受到这种长期破坏。伦敦汉默斯密（Hammersmith）高架道路的混凝土最近也发现类似的锈蚀。

全世界有半数建筑是混凝土结构，这使得养护成了大工程，而且越来越重要。更糟的是，许多混凝土建筑都位于我们根本不想经常造访的地方，例如连接瑞典和丹麦的松德海峡大桥或核电厂内部。遇到这种情形，混凝土最好能自养护和自愈合。这种混凝土现在有了，虽然还在起步阶段，但已经证实有效。

自愈合混凝土来自科学家的发现。他们研究生活在极端环境下的生物，结果发现了一种细菌，它们生活在火山活动形成的强碱湖泊底层。这些湖泊的酸碱值为9到11，这个碱度会灼伤人类皮肤，因此不难想见科学家之前一直认为这些硫黄湖里不会有生物。然而详细调查发现，生物的适应力远高于我们的想象，如嗜碱细菌便能生活在这类环境中。科学家发现，其中一种名为巴氏芽孢杆菌（B.pasteurii）的细菌会分泌方解石，而方解石正是混凝土的成分之一。科学家还发现这种杆菌非常顽强，能在岩石里蛰伏数十年。

自愈合混凝土就含有这种杆菌，并掺入杆菌会吃的某种淀粉。这些杆菌平常处于蛰伏状态，被含水硅酸钙原纤维包围。但当混凝土出现裂隙时，这些杆菌就会重获自由，遇到水便会醒来，开始寻找食物。它们吃掉混凝土里的淀粉后就会生长与繁殖，并分泌方解石。方解石是碳酸钙的一种，和混凝土键结后会形成矿物构造，把裂隙填满，使裂隙不再扩大。

这个方法可能属于听起来不错，不过实际上行不通的那一类。但没想到真的管用。研究显示，龟裂的混凝土经由这种杆菌“处理”之后，强度可以恢复九成。目前科学家正在开发这种自愈合混凝土，希望用在实际的工程结构上。

另一种含有生物成分的混凝土叫作透水混凝土。这种混凝土非常多孔，天然细菌可以占据其中。这些细孔还能让水穿透，因此不太需要排水系统，而混凝土内的细菌还能分解油污和其他污染物，因此有净水功能。

现在还有一种混凝土布料，叫作水泥帆布。这种材料可以卷成一筒，只要加水就能固定成你想要的形状。虽然水泥帆布非常适合雕塑，但它最大的用途可能是救灾。只要空投几捆水泥帆布到灾区搭建临时住所，几天之内就能形成一座防雨、防风和防晒的临时城市，让救灾工作得以进行。

必得隐形，不能示人

最新的发明是会自洁净的混凝土，方法是掺入二氧化钛粒子。这些粒子虽然涂抹在表面，但由于粒子极小而且透明，所以外观与一般混凝土建筑完全一样。不过，二氧化钛粒子吸收了阳光中的紫外线后，就会产生自由基离子，能够分解沾上它们的有机污垢，让污垢由风或雨水带走。罗马千禧教堂就是用这种自洁净混凝土兴建的。

其实，二氧化钛不只能清洁混凝土，还可以充当触媒转换器，减少空气中的氮氧化物，而这些氮氧化物是由车辆排放出来的。不少研究证实了这项功效，也使得都市里的建筑与道路在未来可以扮演更积极的角色：跟植物一样来净化空气。

4. 美味的巧克力 CHOCOLATE

只熔你口的技巧

巧克力的设计就是要入口即化，它是集数百年厨艺和制造技术的巅峰之作。当初制造商只是想创造一种新的热门饮品，跟茶和咖啡分庭抗礼，可惜一败涂地。直到他们发现热巧克力直接入口比放在锅里更可口、更摩登，也更受欢迎，这才扭转局面，从此不再回头。制造商发明了一种固体饮料，而这都要归功于他们对结晶的认识与调控，尤其是可可脂结晶。

可可脂是植物界最精致的油脂之一，跟牛油和橄榄油不分轩轾。纯可可脂外观近似精致的无盐奶油，不仅是巧克力的基底，也是高级面霜和乳液的基本成分。别吓坏了，脂肪对人类的贡献本来就不只是食物，还可以用来制作蜡烛、乳霜、油灯、亮光剂和肥皂。不过，可可脂有几点非常特别。

首先是它的熔点和人体温度接近，表示它平常可以以固体方式存放，跟人体接触时才会熔化，因此很适合制作乳液。此外，可可脂含有天然的抗氧化成分，可以防腐，存放多年也不会变质。相较之下，牛油的保鲜期只有几周。可可脂的这一个特点不仅对面霜制造商是利多，对巧克力商也是好消息。

可可脂还有一项优点，就是它能形成结晶，使得巧克力棒的硬度够高。可可脂的主要成分是一种叫作甘油三酯的大分子，它能以不同的方式堆栈形成多种结晶，感觉很像把行李堆进后车厢那样，只是在多种堆法中，某些堆法会比其他方式更占空间。甘油三酯堆栈越密，可可脂结晶就越结实。结晶越结实，熔点就越高，也就更硬、更稳定。可可脂越结实，巧克力的制作难度也越高。

结晶一号和二号比较柔软，而且很不稳定，一有机会就会变成密度较大的结晶三号和四号。不过，结晶一号和二号很适合制作冰淇淋上头的巧克力外层，因为它们的熔点只有16℃，就算摆在冰淇淋上也能入口即化。

结晶三号和四号又软又脆，碎裂时不会“啪”地断开。断开这个特点对巧克力师傅很重要，因为能增添品尝巧克力的惊喜与趣味，例如用巧克力外壳包住柔软的内馅，创造不同的口感。此外，就心理学来说，咬碎巧克力时的酥脆口感与声响，会让人感觉巧克力很新鲜，吃起来更加享受。虽然说软绵绵的巧克力也有它的优点，但拿起巧克力棒往嘴里一塞，结果发现它又软又黏，一点也不酥脆，那滋味可是相当令人失望的。

基于上述理由，巧克力商并不想得到结晶三号和四号，可是这两种结晶最容易制造。只要让巧克力熔化后冷却，几乎都会得到结晶三号和四号。这类巧克力摸起来很软，表面粗糙无光，放在手上很容易熔化，并且会慢慢变成更稳定的结晶五号，并同时会释出部分的糖和脂肪，在巧克力表面形成白色粉末，称为起白。

结晶五号是密度极高的脂肪结晶，会让巧克力外表坚硬光滑，宛如镜面，用力扳断时会发出悦耳的“啪”声。它的熔点比其他几类结晶高，达到34℃，因此只会熔于口中。由于这些性质，大多数巧克力制造商都希望制作出五号可可脂结晶。但说来简单，做起来可不容易。制造商必须借由“调温”程序才能做出结晶五号，并在最后的凝固过程中加入结晶五号的“种子”，让结晶速度较慢的结晶五号能抢得先机，出现油斑起白的巧克力，赢过结晶速度较快的结晶三号和四号，使得液态的巧克力凝固成更密实的五号结晶构造，不让结晶三号和四号有机可乘。

当你把纯的黑巧克力放入口中，感觉它要熔化时，其实就是维持巧克力固态的五号可可脂结晶正在改变。想要妥善保存结晶五号，就必须维持18℃的恒温。制造商会刻意设计成当你把巧克力放进嘴里时，是这些结晶头一回接触到这么高的温度。这是它们的处女秀，也是告别作。巧克力逐渐温热至34℃的门槛后，就会开始熔化。

从固体变为液态称为“相变”，必须靠能量打破结晶分子间的原子键，让分子自由流动才能做到。因此巧克力到达熔点后，仍会从你的身体吸收额外能量进行相变。这时巧克力吸收的能量称为潜热，而这能量是由你的舌头提供的。你会感觉舌头凉凉的很舒服，跟嚼薄荷一样。它的原理和流汗一样，只不过一个是巧克力经由舌头吸收潜热，由固态变为液体；一个从皮肤吸收潜热，从液体（汗水）变为气态。植物也是用同样的方式散热。

回到可可脂结晶。巧克力在口中熔化不仅带来清凉感，更伴随着有如琼浆玉液的温热浓稠弥漫齿间，正是这种反差的结合让巧克力口感如此特别，仿佛刚喝下热可可一般。

嗅觉与味觉的绝佳享受

接下来，巧克力里的各种成分摆脱了可可脂晶格的羁绊，开始涌向味蕾。原本封在固态可可脂里的可可粉重获自由。黑巧克力通常含有50％的可可脂和20％的可可粉（包装上会标示为“70％”黑巧克力），剩下的几乎都是糖。

30％的糖非常多，相当于直接吞下一匙糖粉。不过，黑巧克力感觉不会太甜，甚至完全没有甜味，因为除了可可脂熔化释出糖分外，可可粉也会释出生物碱和酚树脂，也就是咖啡因和可可碱分子，味道都非常苦涩，会活化苦味和酸味受器，抵消掉糖的甜味。巧克力制造商的首要工作就是调和这些味道，创造出均衡的滋味。而加盐不只能提味，还开启了巧克力的新视野，让巧克力得以入菜。墨西哥的香草巧克力酱鸡排便是以巧克力为酱底。

不过，煮过的巧克力跟直接品尝时的味道并不相同。除了其中加了盐之外还有一个原因。虽然基本味觉来自舌头的味觉受器，包括苦味、甜味、咸味和鲜味（肉味），不过大多数香味还是来自嗅觉。巧克力的多重滋味其实来自它的气味，一旦煮过，巧克力的香气分子就会蒸发或遭破坏。不只热巧克力如此，茶和咖啡也不例外。这就是为什么咖啡和茶要一冲好就喝，不然香气就会散逸无踪。这也是为什么感冒时经常食不知味，因为鼻子里的嗅觉受器都被鼻涕盖住了。让巧克力在口中熔化的高明之处就在这里。可可脂锁住香气分子，等你咬下去才释出600多种各式各样的香气分子到你的嘴巴和鼻子里。

你鼻子里首先侦测到的香味是以“酯”分子为主的果香。这些分子就是啤酒和红酒的香气来源，水果的香味当然也源自于此。然而，生可可豆里并没有这类分子。我知道是因为我吃过可可豆，味道简直糟透了，又苦又涩，感觉就像在啃很老的木头，完全闻不到果香，也没有巧克力味，没有人会想再尝一次。要把长相奇特且味道不怎样的豆子变成巧克力，可需要不少制造技术。你甚至会觉得不可思议，当初怎么会有人想到要这么做。

可可豆不可生吃

我们用柴刀收割可可树的种子，然后扔在地上叠成一堆，任由它们腐烂。

繁复的化学过程

我后来发现这不是洪都拉斯特有的做法，所有巧克力都是这样制成的。接下来两周，种子开始腐烂发酵，温度也不断升高。这么做是要“杀死”种子，不让它们发芽长成可可树。但更重要的是它还会促成化学反应，把可可豆里的成分转变成巧克力味的必要元素。不经过这个程序，再多其他方法都做不出巧克力。

水果气味的酯分子就是在发酵过程中形成的，是可可豆里的酶让酸和乙醇发生酯化反应的结果。跟所有化学反应一样，这个过程也受非常多的因素影响，例如成分的比例、环境温度和氧含量。这表示巧克力的味道不仅非常依赖可可豆的成熟度和种类，也取决于可可豆堆得多高、放置时间多长和平时的天气，等等。

我们付钱买到的除了发酵促成的酯分子带来的果香味，还有土味、坚果味和某种鲜味，这些味道都来自发酵后的程序，也就是晒干和烘焙。和制作咖啡一样，烘烤让每粒可可豆都变成一座小型化学工厂，在其中进行多种反应。首先是可可豆里的碳水化合物（主要是糖和淀粉）开始受热分解，基本上类似用锅加热纯糖，碳水化合物会焦糖化。只是可可豆的焦糖化过程发生在豆子里，使豆子由白转棕，生成多种具有坚果焦糖味的香气分子。

糖分子（无论在热锅上或可可豆里）受热会由白转棕，是因为含碳。糖是碳水化合物，也就是由碳、氢、氧三种原子所组成。糖受热后，长链状的糖分子会断成许多截，有些小到直接蒸发，也就是那些好闻气味的来源。基本上，含碳的小段分子通常比较大，所以会留下来。这些分子的内部会形成“碳双键”，有吸光作用，量少时会让焦糖化的糖呈黄棕色。但若继续烘烤则会让糖分子变成纯碳，内部只剩碳双键，形成焦味和深棕色。完全烘烤会让可可豆变成焦炭，是因为里面的糖分子完全炭化，变成黑色。

温度更高时会发生另一种反应，也会影响可可豆的颜色与气味，那就是所谓的梅纳反应。梅纳反应是糖和蛋白质的作用。如果说糖是细胞世界的燃料，蛋白质就是主设备，是建造细胞和细胞内部结构的分子。由于种子（豆和坚果）必须具备足够的蛋白质才能启动细胞成长机制，让植物发芽，因此可可豆必然富含多种蛋白质。当可可豆受热超过160℃，里头的碳水化合物和蛋白质就会发生梅纳反应，再跟之前发酵时产生的酸和酯作用，形成大量的小型香气分子。少了梅纳反应，这世界绝对乏味许多，这么说一点也不夸张。面包皮、烤蔬菜和许许多多烘烤类食物所散发的香气，都是梅纳反应的功劳。以可可豆来说，梅纳反应不仅带来了坚果香和鲜味，还减少了苦涩感。

把发酵烘烤过的可可豆磨碎后倒入热水中，就会得到中美洲部落常喝的“巧克拉托鲁”（chocolatl）。奥梅克人和后来的玛雅人最早种植可可豆，也最早发明热可可，并且将之当成祭奠用品和春药长达数百年，甚至曾当成货币。欧洲探险家在17世纪取得这种饮品后立刻引进回国，在咖啡馆里跟茶和咖啡一较高下，抢夺欧洲人的味蕾，结果铩羽而归。因为他们忘了“巧克拉托鲁”的原意是苦水，而且就算加了非洲和南美蓄奴种植业制造的廉价砂糖，味道还是一样有渣滓感且厚重油腻，因为可可豆里有一半是可可脂。这样的情况持续了两百年。热可可虽然有名，又有异国风味，却不怎么受欢迎。

不过，几项制造工法的发明却让巧克力的命运就此改变。首先是荷兰巧克力公司梵豪登（Van Houten）于1828年发明的螺旋压滤机。发酵和烘烤过的可可豆经过这台机器碾压后，会滤出可可脂，把它和可可豆颗粒分离。可可豆去除脂肪后，就能磨成更细的可可粉，使得冲泡后的渣滓感消失，变得如丝绒般滑润顺口。用这种可可粉冲出的热巧克力大获好评，一直风行至今。

分离后再加起来

接下来的事只有违反直觉的天才才想得到：分离并纯化可可脂后，也把可可粉磨细了，何不把两者再混在一起，然后加上糖，创造出完美的可可豆，那种你希望就长在树上，糖、巧克力和脂肪混合得恰到好处的可可豆呢？就像来到威利•旺卡巧克力工厂一样？

比利时、荷兰和瑞士都有巧克力商不断朝这方面研发，然而最后却是一家名叫弗莱氏（Fry and Sons）的英国厂商做出了“用来吃的巧克力”，制造出世界第一条巧克力棒。纯化的可可脂熔在口中会释出可可粉，瞬间让人感觉有如尝到了热巧克力般。这种口感绝无仅有。由于可可脂的分量能独立控制，不受可可粉和糖的影响，因此制造商可以创造出不同的滋味，满足不同的喜好。当时冰箱还没发明，而可可脂含有抗氧化成分，能让巧克力商品在架上长久保存。巧克力产业就此诞生。

对某些人来说，含糖量30％的巧克力还是很苦，因此制造商又加了一样东西，大幅改变了巧克力的滋味。那东西就是牛奶。牛奶让巧克力的干涩感大幅降低，使可可尝起来更温和，于是巧克力的味道就变得更甜了。瑞士人于19世纪率先采用这个做法，在巧克力中加入了大量的雀巢奶粉。雀巢公司当时刚刚崛起，靠着把牛奶变成奶粉，把原本放不久也运不远的生鲜食品，变成可以长期保存和长途运送的商品而崭露头角。巧克力和奶粉都能长久保存，结合在一起获得了惊人的成功。

如今加入巧克力的牛奶各式各样，所以世界各国的牛奶巧克力尝起来才会差那么多。美国使用的牛奶已经先用酶脱去了部分脂肪，使得巧克力带有奶酪味，甚至有一点酸。英国则是在牛奶里加糖，浓缩后再加到巧克力里，创造出淡淡的焦糖味。欧洲依然使用奶粉，让巧克力带有鲜乳味和粉粉的口感。各国的口味都很难外销。虽然全球化大行其道，各国民众习惯和偏好的牛奶巧克力口味却非常在地化，让人相当意外。

不过，所有牛奶巧克力都有一个特点，就是牛奶在加入前几乎都已经不含任何水分。这是因为巧克力粉有亲水性，见水就吸，但吸了水就会脱去脂肪外膜，因为水和脂肪互不相溶。结果就是巧克力变成黏糊糊的，很像玛雅人喝的巧克拉托鲁。只要用水溶解巧克力做过酱汁的人，都遇到过这个问题。

最美好的滋味

许多人都嗜食巧克力，我也一样，而原因不只是味道，还包括巧克力中含有的一些具有精神作用的物质，其中人们最熟悉的就是咖啡因。可可豆里有少量咖啡因，而巧克力因为含有可可粉，所以也有咖啡因。另一种有精神作用的物质是可可碱，和咖啡因一样是兴奋剂兼抗氧化剂，但对狗来说是剧毒。每年都有许多狗误食巧克力而丧命，尤其是在复活节和圣诞假期。

可可碱对人的效果温和许多，而巧克力比起茶和咖啡，刺激度也小了许多，因此就算每天吃12条巧克力棒也只等于喝了一两杯浓咖啡。巧克力还含有大麻素，吸食大麻会觉得亢奋就是因为这个化学物质。不过，巧克力里的大麻素一样含量很少。研究人员针对巧克力嗜食现象进行分析时也发现，没有什么证据支持嗜食巧克力跟这些物质有关。

绝妙的感官刺激

有些人说吃巧克力胜过接吻，科学家也真的做过实验来测试这个说法有没有根据。2007年，路易斯（David Lewis）博士领导的团队征求了几对热恋中的情侣，先测量情侣接吻时的脑部活动和心跳速率，再记录他们分别吃巧克力时的脑部活动和心跳速率。结果发现，接吻虽然会让心跳加速，效果却不如吃巧克力那么持久。研究还显示巧克力开始在口中熔化时，大脑所有区域得到的刺激，比接吻带来的亢奋还要强烈和持久。

固体巧克力暴露在20℃以上的高温时，例如放在阳光下或车子里，晶体结构就会彻底改变，而且效果立刻看得见，因为巧克力表面会“起白”，脂肪和糖会浮到表面形成白色结晶状粉末，留下河流般的痕迹。

有潜力的健康食品

可可脂是饱和脂肪。这类脂肪会提高心脏病的风险。不过，进一步研究显示，身体消化饱和脂肪时会把它转成不饱和脂肪，而不饱和脂肪是良性的。此外，可可粒子含有多种抗氧化剂，但目前对于这些抗氧化剂在人体内的作用还不清楚。不过，哈佛大学做的控制对照研究显示，相较于完全不吃巧克力，固定食用少量黑巧克力能延长平均寿命。

5. 不可思议的发泡材料 FOAM

难忘的惊鸿一瞥

我记得它是透明的，却奇怪地呈乳白色，很像珠宝的全息图，是虚幻不实的物质。

跟果冻一样的东西

那东西其实是名叫“气凝胶”的物质。我完全误解那则新闻了。美国国家航空航天局不是在采集气凝胶，而是用气凝胶来采集星尘。我没再多想，而是赶紧上网搜寻气凝胶的信息和历史。我发现气凝胶不是来自外太空，但它背后的故事还是奇特得很。气凝胶是20世纪30年代发明的，发明人是名叫契史特勒（Samuel Kistler）的美国人。契史特勒原想研究农学，后来却变成化学家，他发明气凝胶纯粹出于对果冻的兴趣。果冻？

契史特勒问：果冻是什么？他知道果冻不是液体，但也不算固体，因此他认为果冻是困在固体里的液体，但这个固体监狱的铁栅是细到看不见的网格。食用胶的网格是由长串的明胶分子组成，主要成分为胶原蛋白。绝大多数的结缔组织都由胶原蛋白构成，像是腱、皮肤和软骨。明胶分子入水后会先分解再连成网状，把液体锁住让它无法流动。因此，果冻基本上就像灌了水的气球，只不过它并非靠外层的薄膜把水困住，而是从里面让水不能流动。

果冻网格内的水分子是由表面张力拉住的。水会润湿其他物体，形成水滴和附着在其他东西上，都是表面张力的作用。果冻网格内的表面张力强度刚好，既让水无法挣脱，又可以晃动，所以果冻才会那么柔软又有弹性，有那么奇特的口感。

果冻几乎百分之百是水，熔点为35℃，因此一放入口中，明胶网格就会瓦解，让水迸射而出。果冻是困在固体网格内的液体，这解释虽然简单，但契史特勒还不满意。他想知道果冻内看不见的明胶网格是不是一个整体，也就是网格是不是一个共聚而独立的内在框架？如果把液体移走了，网格是不是依然存在？

为了回答这个问题，契史特勒做了一系列实验，并于1931年把结果投给《自然》科学期刊（3211号，卷127，741页），标题为《共聚扩散气凝胶与果冻》。他开头就写：

“果冻内液体的连续性展现在扩散、脱水及超滤，而且可由其他性质不同的液体替换，清楚表示胶体结构和内部的液体可能是互相独立的。”

契史特勒开头这段话的意思是，实验显示果冻内的液体是连成一体的，而非分成小块，而且可以替换成其他液体。他认为这表示果冻内的固体结构可能和液体是互相独立的。

此外，他用涵盖范围更广的“胶体”一词取代果冻，表示所有类似胶体的物质都有这个特性，从非常接近固体的物质到非常接近液体的物质都是如此，发胶、鸡高汤和凝固中的水泥（网格由硅酸钙原纤维组成）无一例外。

契史特勒接着指出，目前还没有人能把胶体内的液体和固体结构分离。“之前有人透过蒸发去除胶体内的液体，但由于胶体缩得太厉害，使得固体结构也大受损害。”换句话说，之前的人想用蒸发去除胶体内的液体，结果内部固体结构直接塌了。契史特勒骄傲地说，他和合作伙伴已经找到了解决之道：

“我和能利德（Charles Learned）先生认为，胶体内的液体可用气体代换，并且在麦克班（J.W. McBain）教授的慷慨协助及建议下，做了实验来检验我们的假说，结果大获成功。”

这个做法的高明之处在于保留胶体内的液体，然后用气体去代换，借由气体的压力支撑住固体结构，使它不至于崩塌。不过，契史特勒和能利德首先用液态溶剂（他们用的是酒精）来取代水，因为液态溶剂比较好操控，但坏处是它也会蒸发。不过，契史特勒和能利德找到了解决方法：

“蒸发一定会导致胶体萎缩。但只要把胶体放到高压釜里，注入该液体并把温度提高到液体的临界温度之上，压力维持在蒸汽压以上，就能阻止液体蒸发，而胶体也不会因为表面毛细力而收缩。”

高压釜其实就是能加热的高压槽。釜内只要压力够大，胶体内的液体就算超过沸点也不会蒸发。至于契史特勒提到的毛细力，则来自液体的表面张力。契史特勒认为当液体因蒸发而流失，原本支撑住胶体的毛细力反而会把胶体撕裂。

但只要把胶体的温度提高到所谓的“临界温度”之上，使气体和液体的密度及结构相同，两者不再有任何区别，胶体内的液体就会直接变成气体，而不受蒸发的过程破坏。契史特勒写道：

“液体超过临界温度就会直接变为永久气体，中途没有断续。胶体不会‘知道’它里面的液体已经变成气体了。”

这个做法实在太天才了。胶体内新形成的气体受制于釜里的高压而无法挣脱，使得胶体内的固体结构得以维持。

“剩下要做的只是让气体散逸，留下体积不变的共聚气凝胶。”

直到这时，契史特勒才让气体慢慢散逸，完整保留了胶体内的固体结构，且骨架结构完全不变，从而证实了他的假说。那一刻肯定非常令人满足。但契史特勒还不肯罢手。胶体的固体结构非常轻盈、脆弱，大部分由空气组成，其实它就是泡沫。契史特勒心想，若胶体不是由明胶构成，而是更坚固的物质，固体结构或许就会更强韧。于是他选择了玻璃的主要成分，制造出了以二氧化硅为固体结构的胶体，接着再按先前的程序去除胶体中的液体，制造出了世界上最轻的固体：二氧化硅气凝胶。那年我在沙漠实验室里惊鸿一瞥的东西就是它。

契史特勒仍不满足，又做了其他的气凝胶，并列在投稿的论文里：

“我们已经做出了二氧化硅、氧化铝、酒石酸镍、氧化锡、明胶、琼脂、三氧化钨、硝化纤维、纤维素和卵白蛋白的气凝胶，而且这个名单似乎还能无限制扩展下去，没有做不到的理由。”

契史特勒虽然成功做出二氧化硅气凝胶，却还是忍不住做了卵白蛋白（也就是蛋白）气凝胶。因此，其他人是用蛋白制作蓬松的煎蛋卷和烤蛋糕，契史特勒则是另起炉灶，用高压釜制作蛋白气凝胶，做出全世界最轻的蛋白霜。

二氧化硅气凝胶的外表非常诡异，放在暗色前（如上图）会呈蓝色，放在浅色前却几乎消失不见。它虽然不像玻璃那么透明，却比玻璃更隐形、更难看见。光穿透玻璃时会微微偏斜，也就是折射。气凝胶的物质含量极少，因此光穿透时几乎不会偏折。同理，气凝胶的表面几乎不会反射光线，而且由于密度极低，所以没有明显的边角，实在不算是真正的固体，当然它确实是固体。气凝胶内的固体结构和泡沫的结构差不多，只有一点非常不同，就是气凝胶里所有的孔洞都连在一起。由于孔洞极多，二氧化硅气凝胶99.8％是空气，密度只约略大于空气的三倍，基本上等于没有重量。

握在手中的蓝天

然而，二氧化硅气凝胶放在暗色前又显然是蓝色，它的成分和玻璃一样，照理不该有任何颜色。科学家多年来一直百思不得其解，后来终于找到答案，这答案也没有让人失望，同样很怪。

太阳光穿透地球大气层时会击中许多分子（主要为氧和氮），并且像弹珠一样从这些分子身上反弹，这个现象称为散射。也就是说晴天时往天空看，阳光会在大气层里反弹多次才进入我们的眼睛。如果阳光散射均匀，天空看起来就会是白色的，可是不然。因为短波长的光比长波长的光更容易散射，使得天空中蓝光比红光和黄光反弹更多，所以当我们仰望天际，见到的不是白色天空，而是蓝天。

这个现象称为瑞利散射，这个散射的量非常小，必须聚积大量气体才看得见。因此在天空中可以看见这个现象，而只靠房间里的空气则不行。换句话说，一小块天空不会呈现蓝色，整个大气层才会。不过，当少量空气被透明物质封住，而这个物质又有数以百亿计的微小表面，那么透明物质内部的瑞利散射量，就足以改变入射光的颜色。二氧化硅气凝胶的结构正是如此，所以才会呈蓝色。手里拿着一块气凝胶，其实就等于握着一大片天空。

气凝胶泡绵还有其他有趣的性质，其中最神奇的就是隔热，也就是它能阻绝热的传导。气凝胶的隔热效果非常惊人，就算底下放一盏煤气灯，上头放一朵花，几分钟后花朵依然芬芳如故。

科学界对他的发现短暂赞赏过一阵子，随即忘得一干二净。20世纪30年代，科学家还有其他事情要做，很难判断哪些发明会改变世界，哪些会被遗忘。契史特勒发明气凝胶的1931年，物理学家鲁斯卡（Ernst Ruska）做出了全世界第一台电子显微镜。契史特勒投稿的那一期《自然》里，诺贝尔奖得主物理学家小布拉格（William Lawrence Bragg）发表了晶体内电子衍射的文章。这些科学家发明了视像化的观测工具，让我们得以了解物质和材料的内在结构。这是16世纪光学显微镜发明以来，人类再次发明显微镜，而新的微观世界也就此展开。材料科学家立刻开始探索金属、塑料、陶瓷和细胞的内在构造，从原子和分子层面了解这些物质。那是一段令人振奋的时光，材料界突飞猛进，科学家很快就做出了尼龙、铝合金、硅芯片、玻璃纤维和许多革命性的新材料。气凝胶就这么消失在众声喧哗中，被所有人遗忘了。

只有一个人还记得，就是契史特勒本人。他觉得胶体结构的美和隔热特性实在太特别了，应该，也必然在未来占有一席之地。虽然二氧化硅气凝胶跟玻璃一样脆弱易碎，但以它极轻的重量而言强度相当足够，显然有工业价值。于是他申请了专利，授权给一家叫作孟山都集团的化学公司生产，于1948年完成一种粉状的二氧化硅气凝胶，命名为山都胶（santogel）。

作为世上最佳的绝热材料，山都胶似乎前途看好，只可惜生不逢时。20世纪50年代能源价格不断下滑，也没有发现全球暖化的问题。气凝胶造价太高，作为绝热材料一点也不实惠。

孟山都在绝热材料市场铩羽而归，只好另辟蹊径，为山都胶在墨水和涂料市场找出路，因为山都胶有散光性，能让墨水和涂料变暗，创造出雾面效果。最后山都胶总算找到一份不大光彩的差事，就是充当绵羊用防蝇膏的增稠剂和“凝固汽油弹”的胶化剂。但由于20世纪60和70年代还有更廉价的选择，使得山都胶连这么一小块市场都保不住，孟山都决定全面停产山都胶。契史特勒于1975年过世，生前始终无缘见到这种神奇无比的材料出人头地。

飞向太空的材质

后来气凝胶东山再起，不是因为找到了商业用途，而是它的特殊性质引来欧洲核子研究中心物理学家的注意。他们当时正在研究所谓的切连科夫辐射，也就是亚原子粒子以超光速穿透物质时发出的辐射。侦测和分析切连科夫辐射可以了解粒子性质，并提供科学家一种新颖的方法来辨识粒子的种类。气凝胶非常适合作为粒子穿透用的物质，因为它可以说是固态的气体。直到现在，气凝胶依然是物理学家破解次原子世界谜团的绝佳帮手。气凝胶一旦成功踏进物理学家的实验室，有了这些复杂仪器、远大目标和大笔经费支持，名声也就再度水涨船高。

20世纪80年代初期，气凝胶非常昂贵，只有资金充裕的实验室才用得起。欧洲粒子物理研究中心是其中之一，美国国家航空航天局则紧跟其后。二氧化硅气凝胶在太空探测上的初试啼声之作，是隔离仪器不受极高温的破坏。气凝胶特别适合这类任务，不仅因为它是世界上最好的绝热体，还因为它非常轻盈。为了让宇宙飞船摆脱地球重力进入太空，减轻零件和设备重量非常关键。

1997年，气凝胶首次使用在火星探路者号上，从此便成为宇宙飞船的标准绝热材料。不过，美国国家航空航天局的科学家一旦发现气凝胶能耐受太空飞行，就想到它还有另一个用途。

捕捉太空物质

这个构想的第一个难题是太空中的物体往往移动迅速，例如太空尘一般速度为每秒5公里，相当于时速1.8万公里，比子弹还要快得多，采集起来并不简单。用肉身抵挡子弹时，若子弹的力道超过皮肤的破坏压力，子弹就会贯穿皮肤；若是穿了高破坏强度材质（如凯芙拉纤维）做成的防弹背心，子弹就会遭压扁变形。无论如何，上述两种方法都很危险，不过原则上是可行的，就像“徒手”接板球或棒球一样。关键在于分散球的能量，避免单一点的高压撞击。因此，美国国家航空航天局需要找到一个方法或一样东西，能让太空尘从时速1.8万公里减速为0，又不会损及太空尘或太空船。这东西必须密度极低，让太空尘粒子可以缓缓减速不会受损，但又要在几厘米的距离内就做到，而且最好是透明的，方便科学家找到射入的太空尘。

随星尘号远航

取回胶囊后，航空航天局的科学家花了许多年找出气凝胶内的尘埃，直至现在仍在进行中。他们寻找的微粒，肉眼看不到，必须靠显微镜帮忙，因此才需要这么多年。由于工程太过庞大，航空航天局甚至开放民众协助。“在家找星尘”计划训练民众担任志愿者，使用自家计算机观察数千张气凝胶样本显微影像，寻找太空尘的迹证。

这项研究目前得到了一些有趣的发现。其中最令人意外的就是，从威德二号彗星上取得的尘埃绝大多数都带有含铝熔滴。但熔滴需要1200℃以上的高温才能形成，而彗星始终在冰冷的太空中飞行，实在很难想象会有这类化合物。由于一般认为彗星是在太阳系诞生之初形成的冰岩，使得熔滴的存在就算不是不可能，也有些令人意外。这似乎显示彗星形成过程的传统解释是错的，或者我们对于太阳系的形成还有许多不了解之处。

或许环境因素会让能源价格越来越高。一旦能源费用过高，不难想象目前盛行的双层玻璃或许会由更先进的玻璃材料取代，例如气凝胶。研发新式气凝胶的脚步正逐渐加快，目前已经有一些新技术能制造出具有弹性的可弯折气凝胶，不再像二氧化硅气凝胶那么脆弱易碎。这种名为“X气凝胶”的材料是用化学反应把刚硬的气凝胶泡沫墙分解，插入聚合物分子当成铰链，以增加气凝胶的弹性。X气凝胶可以做成极具弹性的材料，如纺织原料，制作世界上最轻暖的毯子，取代羽毛被和睡袋之类的产品。由于气凝胶重量极轻，因此很适合制作极端环境使用的户外服饰和鞋子，甚至能取代运动鞋内的泡绵鞋底，增加鞋底的弹性。此外，最近还有人开发出可导电的碳气凝胶，以及吸收力超强、可以吸收有毒废料和气体的气凝胶。

你把它放在手里不会感觉到任何重量，它的边缘非常不明显，几乎分不清哪里是它的边角、哪里是空气。

气凝胶的诞生纯粹出于人的好奇、天才与奇想。在这个强调创意并奖励创造的时代，还用金、银、铜制作奖牌实在奇怪。

6. 充满创造力的塑料 PLASTIC

塑料没有罪

用塑料取代象牙

台球从15世纪开始在北欧皇室和宫廷里流行，基本上是室内版的槌球，所以它的绿色台面是为了模拟草地。工业革命大幅降低了台球桌的造价，而到了现代，酒吧和酒馆发现，放置台球桌能增加收入，于是都市里的穷人也开始玩起这个游戏。

19世纪，台球用具和技巧开始精进。首先球杆前端加了皮革块，并涂上俗称为巧克粉的粉末，让击球者更能利用旋转技巧来控制母球。这项技巧最早是英国水手带进美国的，因此使母球旋转的“加赛”打法，英文术语到现在依然称为English。

1840年，美国人固特异（Charles Goodyear）发明了硫化橡胶，台球桌四周开始加上柔软有弹性的橡胶垫，一般叫作“库”或“颗星”（cushion），与原本的木头不同的是，它让球的反弹终于可以预测了。之后台球桌就和我们现在看到的样子差不多了。

19世纪70年代，台球在美国从原本只有三四颗球，变成更新潮的15颗球的玩法。不过直到当时，台球还是用象牙制成的，因此非常昂贵。

象牙的性质非常特别：它硬得能承受几千次高速撞击而不会凹陷或剥裂，并强韧得不会碎裂，又可以用机器刨成球形，而且跟其他有机材质一样可以染色。当时没有其他材料能兼顾这些特性，因此当台球在全美各地的酒吧开始盛行时，象牙的价格真的可能会跟着水涨船高，如此一来很快就会贵得没人买得起。所以，许多酒吧开始尝试其他材料做成的台球，例如塑料，但有些台球受撞击后的表现很怪。塑料在当时还是全新的材质，跟其他材料的差别就像剧本和散文一样大。

化学的车库革命

列佛兹看着海厄特朝烧杯倒了几滴红墨水，硝化纤维素立刻变成亮红色。接着海厄特把一颗用线吊着的木球放进烧杯，浸到液体里再拿出来。只见木球上覆了一层美丽的亮红色塑料，而且塑料迅速变硬。

这材料相当易燃。这一点当然不够理想。事实上，有报告指出，两颗球高速撞击时会自动着火。但真正的问题是声音，球互相撞击时的声音就是不对。

我可以只用硝化纤维素就做出一整颗球，只要掺入含有樟脑的溶剂就搞定了。

它是纤维素（cellulose）做的，所以我想叫它赛璐珞（Celluloid）

如今很难想象，有人可以在自家小屋做出重大的化学发现，但19世纪末期，化学工程刚踏入黄金年代，人类对化学越来越理解，而且新材料的发明往往也同时带来致富的商机。

此外，化学制品的取得很容易也很廉价，贩售更几乎没有规范限制。许多发明家都在自己家中进行实验，固特异甚至是在债主的牢里做实验的。海厄特发明的赛璐珞一旦证实好用，这种能提供保护、舒适和弹性的新材料就会有需求。

现在的乒乓球由一种叫作赛璐珞的塑料制成，至于酚醛树脂只用于制造一种球，就是台球。

塑料有助于人体防腐

在1867年以前，防腐通常使用酒精或含砷等有毒物质的特殊溶剂，直到该年德国化学家霍夫曼（August Wilbelm von Hoffmann）发明了福尔马林才改观。福尔马林跟之前的防腐剂不同，它能保存人体的器官组织，让遗体看来栩栩如生，因此很快成为主流。列宁、土耳其国父凯末尔和英国戴安娜王妃的遗体都经过福尔马林处理。

前些年，德国解剖学家冯•哈根斯（Gunther von Hagens）发明了一项新的保存技术，称为生物塑化法，能把尸体内的水分和脂肪移除，再以真空技术置入硅胶和环氧树脂取代。环氧树脂大量使用在涂料、黏着剂和可塑产品里。生物塑化法跟福尔马林一样，能让遗体栩栩如生，但由于使用可定型的塑化材料，因此能把尸体做成各种姿势。冯•哈根斯策划的“人体世界展”于1995年开始巡回全球各地，展出他制作的各种姿势的人体，总参观人数已经有数百万。

塑料专利之争

虽然在赛璐珞发明之前就有类似塑料的材料问世，但一般公认赛璐珞是最早的商业塑料材料。

在1862年的国际博览会上，英国冶金家、化学家兼发明家帕克斯向世人介绍了一种很有趣的新材质。它的成分为植物质，但非常坚硬而透明，且具有可塑性。帕克斯虽然一直认为火棉胶可以制成塑料，但始终没能找到合适的溶剂把硝化纤维素转成具有可塑性的材料。是海厄特想到使用含有樟脑这种味道呛鼻的树脂的溶剂，问题才迎刃而解，让赛璐珞成为人人都买得起的塑料材料。

与此同时，英国人史皮尔仿照帕克斯的制程，申请了几项专利，并推出一种名叫赛罗耐特的类似材质。虽然赛罗耐特没能卖钱，史皮尔还是决定控告海厄特，因为他之前已经取得了樟脑溶剂的专利。

和史皮尔的专利权之争几乎弄垮了海厄特的事业。不过，法官最后裁定史皮尔和海厄特都没资格取得硝化纤维素塑料的专利，让塑料产业从此进入高度竞争和创新的时代。

珠宝的替代品

赛璐珞产业在19世纪70年代突飞猛进，各种颜色、形状和质感的产品五花八门。重点是它能惟妙惟肖地做出高级材料的质感，例如象牙、檀木、珍珠母和玳瑁，而早期的塑料也多半作此用途。新兴的中产阶级渴望拥有富人的物质享受，却又负担不起。由于塑料造价便宜，因此贩卖塑料梳子、项链和珍珠给这些中产阶级，可以赚取丰厚的利润。

假牙也有塑料革命

很有趣，海厄特真的曾尝试用赛璐珞制作假牙。但赛璐珞并不适合，主要因为赛璐珞假牙遇热会变形，而且会散发强烈的樟脑味。不过，它的竞争对手橡胶假牙也是半斤八两，橡胶假牙装在嘴里会有硫黄味。要到20世纪，丙烯酸塑料问世后，配戴假牙才比较舒服、无味，感觉也比较自然。

视觉文化史的转折点

玻璃非常适合制造照相底片，因为它既透明又不容易起化学反应。但玻璃笨重又昂贵，让摄影成为摄影师和有钱人专属的活动。

伊士曼设计了赛璐珞软片以取代玻璃制的硬片，是他发明的柯达轻便相机能掀起摄影革命的关键。他把玻璃制的照相底片换成赛璐珞制的弹性胶卷，可以卷曲收纳，让相机变得小巧轻盈，而且便宜。他让所有人都能接触摄影，并且凭着让相机变得便宜、好带又能随兴使用，创造了以照片分享家人回忆的生活方式。

电影推手

赛璐珞促成了胶卷的发明，胶卷则催生了电影科技。人类数百年前就已经知道，连续呈现小幅变化的影像可以创造影像“在动”的效果，但在透明柔软的材料发明前，我们只有滚筒状的跑马灯能用。赛璐珞改变了一切，它可以把连续的影像留存在同一卷胶片上，然后快速播放，创造出动态的效果。这不仅能让电影播放更长的故事，而且可以把影像向外投射，让一群人同时观赏。这就是鲁米耶兄弟的灵感，也是戏院的起源。

塑料家族在赛璐珞之后又出现了电木、尼龙、黑胶和硅胶。这都有赖于赛璐珞带来的创造力，而塑料也对我们的文化产生了深远的冲击。电木成为可以塑形的木头替代品。当时电话、电视和收音机刚刚发明，正需要新材质来展现这些发明的摩登感。尼龙的圆滑柔顺攻占了时装业，取代真丝成为女性袜子的材质，而且衍生出一系列全新织料，像是莱卡和聚氯乙烯，以及一群称为“弹性体”的材质，让我们的衣服和裤子不会松垮或松脱。黑胶改变了音乐，也改变了我们录制和聆听音乐的方式，更创造了摇滚明星。至于硅胶嘛……硅胶开创了整形外科，让人得以把想象变为现实。

7. 透明的玻璃 GLASS

液态水一旦降温，水分子会立刻结晶为冰。事实上，这个结晶反应几乎无法阻止：从冰箱冷冻库结霜到山上的白雪，都是水再结晶为冰的例子，而雪花的精致结构就来自水分子的对称排列。我们可以不断重复融化和结冻的过程，冰晶也会反复形成。但二氧化硅就不同了。液态二氧化硅冷却时很难再形成结晶，感觉就像二氧化硅忘了怎么变为结晶似的：哪个原子该在哪里，谁该排在谁的旁边，对这些原子来说似乎都变成了难题。加上二氧化硅液体冷却时，原子能量越来越少，越来越难移动，使得情况更是雪上加霜，原子更难回到组成结晶的正确位置，结果就是生成具有液态结构的二氧化硅固体，也就是玻璃。

由于二氧化硅无法结晶，就能形成玻璃，你可能因此觉得玻璃做起来很容易，但其实不然。在沙漠里点一堆火，要是风势够大，可能会有沙子熔化，成为半透明的黏稠液体。这液体冷却后确实会硬化成为玻璃，但几乎都会含有大量未熔化的沙粒，外观有如棕色的鳞片，而且很快就会瓦解，再次变为沙粒。

这种做法有两个问题。首先是大多数沙子里的矿物组成都不对，无法做出好的玻璃。棕色在化学上是不好的预兆，表示含有杂质。颜料也一样，随意混色不会得到纯色，只会产生棕棕灰灰的色调。有些添加物（如碳酸钠，也就是所谓的助熔剂）能促进玻璃生成，但大多数添加物都没有这个能力。沙子虽然富含石英，却也含有风吹雨打带来的各种物质，实在可惜。不过，就算沙子的矿物成分和比例正确，也会遇到第二个问题，就是熔点需要高达1200℃左右，比一般火焰的700℃至800℃还高。

高温闪电造玻璃

闪电可以解决这个问题。闪电击中沙漠会产生超过10，000℃的高温，不仅熔化沙子绰绰有余，还能让沙子变成称为硅管石或闪电熔岩的玻璃柱。这些玻璃柱色如焦炭，状似闪电，令人想起雷神托尔发怒射出的雷霆，因此硅管石的拉丁字源（fulgur）意思就是闪电。闪电熔岩因为是中空的，所以重量极轻，它的外层坚硬，内层是光滑的中空管状构造。最先遭闪电击中的沙子受高热蒸发，因此形成中空，中空孔洞向外传热，先把沙子熔化，形成光滑的玻璃层，而再往外传的温度只能让沙子熔合在一起，于是形成粗糙的边缘。闪电熔岩的颜色取决于沙子的组成元素，从灰黑色到半透明的都有。石英沙漠的闪电熔岩就是半透明的。闪电熔岩最长可达15米，非常易碎，因为主体几乎都是轻度熔合的沙子。过去民众只把闪电熔岩当成新奇古怪的东西，直到最近才改观。闪电熔岩生成瞬间会锁住空气，形成气泡，使得远古的闪电熔岩成为很有用的史料，让研究全球暖化的科学家可以通过这些气泡，掌握沙漠过去的气候变化。

罗马人的科学智慧

虽然古埃及人和古希腊人都对玻璃制造有所贡献，不过真正让玻璃走入日常生活的还是古罗马人，是他们发现了“助熔剂”的妙用。他们使用的助熔剂是泡碱，一种天然生成的碳酸钠。泡碱让古罗马人制作透明玻璃的温度低了许多，不再需要加热到足以熔化纯石英的温度。他们选择的制造地点有成分正确的原料以及温度够高的窑烧，在那里大量制造玻璃，再用四通八达的贸易网络把产品运往古罗马帝国各地，供工匠制作成各种用品。这些做法并不空前，过去就有人做过，但根据古罗马史家老普林尼的说法，古罗马人让玻璃变得廉价，使它首次成为寻常百姓也能使用的物品。

古罗马人非常喜欢玻璃，从各种充满创意的使用方式可以看出他们热爱的程度，例如玻璃窗就是他们发明的。古罗马之前，窗户都是直接开着（英文的窗户window原意是“风眼”），虽然有些窗户会加装百叶窗或窗帘遮风挡雨，但以透明材料作为保护还是前所未有的创举。但显然当时的窗玻璃都很小，而且必须用铅焊接，因为古罗马人还没有能力制作大面玻璃。不过他们却开启了人类把玻璃用于建筑的热潮，至今依然热度不减。

透明玻璃问世之前，镜子都是由金属表面高度抛光制成的。古罗马人发现，在金属上加一层透明玻璃，不仅能保护金属表面不受刮损和腐蚀，还能减少金属的用量到只需一毫米厚即可。这使得镜子的造价大幅降低，并增加效用和寿命，直到今日这依然是大多数镜子的基本制作方法。

古罗马人的玻璃工艺可不止于此。公元1世纪以前，玻璃制品都是熔化玻璃砂再灌模做成的。粗糙的玻璃制品使用这种方法绰绰有余，但想制作更精致的物品就要很费功夫了。例如制作薄酒杯时，模腔必须够细，但浓稠的玻璃熔浆很难灌入细的模腔。古罗马人发现固态玻璃只要加热到一定程度，就会像塑料一样容易塑形，用铁钳夹着就能在玻璃冷却前拉出各种形状，甚至能在玻璃红热时吹气进去，冷却后形成完美的玻璃泡泡。凭着玻璃吹制技术，古罗马人终于能做出精致和复杂程度前所未有的薄壁酒杯。

玻璃发明之前，酒杯都是金属、兽角或陶瓷做成的不透明容器，欣赏美酒完全得靠味觉。玻璃酒杯发明后，酒的色泽、透明度和亮度也变得重要起来。看得到自己在喝什么，对我们来说稀松平常，对古罗马人却是全新的体验，他们爱极了这种视觉享受。

古罗马酒杯已经是当时人类技术和文明之冠，不过比起现代酒杯还是相形见绌多了。当时的问题是，玻璃内含大量气泡，不仅破坏美感，还会严重削弱玻璃强度。无论杯子互碰或不慎摔到地上，物质受力时都会把力分摊给各个原子以吸收外压，减少单一原子的受力，无法负荷的原子会脱离原本的位置，形成裂痕。气泡或裂痕所在的原子，周边原子较少，无法靠周边原子拉住它们或分散受力，因此更容易脱离原本的位置。玻璃摔碎是因为外力太大，玻璃内部发生连锁反应，某原子脱离原位会连带拉走周边的原子。外力越大，发生连锁反应所需的气泡或裂痕就越小。换句话说，玻璃里的气泡越大，酒杯就越禁不起撞击。

中国人独缺的发明

相较之下，西方由于酒杯曾经风骚一时，使得西方人对玻璃始终带有一分尊敬与欣赏，导致其文化深受影响。透明防水的窗玻璃能让光线进入又能遮风避雨，在欧洲实在有用，很难被忽略，天气较冷的北欧尤其如此。不过，欧洲人起初只能做出小面的坚固透明玻璃，幸好可以用铅接合成大面玻璃，甚至可以上釉着色。彩绘和花窗玻璃成为财富和文化的象征，更彻底改写了欧洲教堂建筑。为教堂制作花窗玻璃的工匠，逐渐获得和石匠同等的地位，备受敬重，新的上釉技术也在欧洲蓬勃发展。

19世纪之前，东方人一直轻忽玻璃。日本和中国的房子主要使用纸窗，虽然效果良好，却造就了不同于西方人的建筑风格。

由于缺乏玻璃技术，东方就算工艺发达，也未能发明望远镜和显微镜，这些物品都要等到西方传教士引入时，才得以接触。当时中国工艺技术遥遥领先，实在无法判断，是否因为少了这两项关键的光学仪器，才未能如17世纪的西方般更进一步发生科学革命。

但清楚的是，没有望远镜就不可能看见木星的卫星，也不可能看见冥王星并做出关键的天文测量，奠定我们现在对宇宙的理解。同理，没有显微镜就不可能看见细菌之类的微生物，也不可能有系统地研究微观世界，发展出医疗和各种工程技术。

玻璃透光的奥秘

光穿透原子时会带来大量能量，只要量够，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。

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等座位，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，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

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。

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？

玻璃揭开啤酒的面纱

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，还会影响我们对杯子干不干净的观感。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才碰过别人的嘴。

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。

粉身碎骨保安全

然而依照物理定律，为了维持表层的压应力，玻璃内部必须有大小相等、方向相反的“张应力”，因此泪滴中央的原子便受到极高的张力，彼此向外拉开，感觉就像随时就要引燃的小型火药库。只要表层应力稍不平衡，例如尖端稍微凹陷，整颗泪滴就会发生连锁反应，让内部的高张力原子全部瞬间弹回原位，使玻璃炸成碎片。这些碎片锋利得可以割伤人，但小到不会造成大碍。因此要让挡风玻璃拥有同样的性质其实很简单，只要找到方法迅速冷却玻璃表层，产生如同鲁珀特之泪的压应力即可。依据这个原理制作出来的强化玻璃已经拯救了无数生命，靠的正是它在车祸时碎成数百万个小碎片的能力。

近几年来，玻璃变得更加安全。我在西班牙撞到的挡风玻璃是最新一代的安全玻璃，称为胶合玻璃。我会知道那是最新的安全玻璃，是因为它虽然跟鲁珀特之泪一样碎得很厉害，形状却仍保持完整，即使我和它同时飞越引擎盖摔到柏油路上，它依然是完整的一片。

这种新型强化玻璃中间夹了一层塑料，有如黏胶般让玻璃碎了也不会散裂。这层塑料称为夹层，也是防弹玻璃的原理，只是防弹玻璃夹了不止一层塑料。子弹击中防弹玻璃时，最外层的玻璃会立刻碎裂，吸收掉子弹的部分能量并让弹头变钝。子弹必须推着玻璃碎片穿透底下的塑料夹层，而夹层则有如流动的糖蜜，把冲击力分散到更大的面积，而非集中在一个点上。就算子弹顺利穿透夹层，它会遭遇另一层玻璃，一切经历又得再来一次。

玻璃和塑料夹层越多，防弹玻璃就越能吸收能量。一道夹层能阻挡住九毫米口径手枪的子弹，三道夹层能阻挡点四四马格南手枪的子弹，八道夹层可以承受AK-47步枪的攻击。

当然，如果玻璃能防弹却不透明，其实没什么意义，因此真正的难题不在夹层，而在让塑料和玻璃的折射系数吻合，好让光线穿透两者时不会弯折太多。这种安全玻璃需要精密技术，因此造价昂贵不少，但越来越多人愿意花钱买心安，使得胶合玻璃开始随处可见，不仅装在车上，更出现在现代都市的各个角落，让都市越来越像玻璃宫殿。

2011年夏天，英国许多市区发生暴动。我看着电视画面，不由自主地察觉到这些暴动和我过去看到的都不同。攻击者用砖头不再能次次都砸破玻璃，因为许多店家都改装了强化安全玻璃。这股潮流应该会继续蔓延，店家不仅用玻璃来保护物品，也保护自己。之前也有人提议使用胶合玻璃制作啤酒杯，希望遏止酒吧和夜店里的客人拿酒杯当武器。

透过玻璃看见世界

现在我们已经无法想象，若少了玻璃，现代城市会是什么模样。我们一方面希望建筑物能帮我们遮风挡雨，毕竟这就是建筑物的作用，但另一方面，每回谈到新家或工作场所时，许多人第一个问的问题就是，采光如何？现代都市里每天蹿起的玻璃建筑，正是工程师面对这个两难所作出的解答，既能为我们抵挡风雨和严寒，不受小偷和外力侵犯，又不必委屈自己生活在漆黑的环境中。许多人每天大多数时间都在建筑物里度过，是玻璃让我们的室内生活明亮、愉快。玻璃窗成为乐于迎接顾客的象征，也代表生意往来开放且实在。没有橱窗的店面根本不算店面。

8. 坚不可摧的碳材料 GRAPHITE

石墨烯是一种二维石墨，也是材料世界的惊奇之作。

碳是轻量原子，质子数为6，碳原子核内通常有六个中子，有时为八个，但这种名为碳-14的碳原子，原子核极不稳定，会因放射性衰变而裂解。由于衰变率长时间恒定，加上许多物质都含有碳-14，因此测量物质内的碳-14含量就能推算该物质的年龄。这种科学方法称为碳定年法，比其他方法更能帮助我们掌握远古事件。巨石阵、都灵裹尸布和死海古卷都是靠碳-14确定年代的。

撇开放射性不谈，对碳而言，原子核的重要性不大。就碳的其他性质和表现来看，环绕和屏障碳原子核的六个电子才是关键。其中两个电子位于接近原子核的内层，对碳原子的化学性质毫无影响，也就是跟碳和其他元素的反应无关。剩下的四个电子位于最外层，性质活跃。就是这四个电子，让铅笔的石墨笔芯和订婚戒指的钻石大不相同。

钻石是最昂贵的碳结构

印度过去是钻石的唯一来源地，直到18世纪中叶其他地区（尤其是南非）也发现钻石才失去独占地位。

事实上，每颗钻石都是一整块单晶。一颗钻石通常含有大约一千万亿亿（1，000，000，000，000，000，000，000，000）个原子，排列组合成完美的金字塔结构。就是这个结构让钻石拥有如此特别的性质。电子在这个结构中被牢牢锁住，非常稳固，因此钻石才会以硬度著称。钻石很透明，但色散率高得出奇，所以会让入射光分解为七色，产生耀眼的七彩光辉。

潇洒的钻石大盗

把卡利南钻石安全运回英国是一项艰巨的挑战，因为南非挖到史上最大未加工钻石的消息早已在报纸上大肆传开。所有恶名昭彰的匪徒都有可能对钻石下手，包括抢过一整船钻石的大盗沃斯（Adam Worth）。福尔摩斯的死对头莫里亚蒂教授，就是以沃斯为灵感创造出的人物。最后，运送者想出了一个足以媲美福尔摩斯的天才计划。他们派出重兵用汽船运送假钻石，把真钻石用简单的棕色纸箱装好寄回英国。

这套计谋之所以奏效，得归功于钻石的另一项特点：因为它只由碳组成，所以重量极轻。卡利南钻石整颗的重量不过半公斤多一点。

钻石虽然价值不菲，却从来不曾像黄金一样成为全球货币体系的单位。它不是流动资产，而且确实如此，因为钻石无法熔解，所以也无法货币化。巨钻除了引发赞叹之外毫无用途，最重要的功能只有展现地位。20世纪以前，只有富商巨贾买得起钻石，但欧洲中产阶级兴起后，让采钻者看到了诱人的新商机。戴比尔斯公司于1902年掌握了全球90％的钻石产量。对他们来说，如何把钻石推销到更大的市场，却又不会贬损其价值是最大的难题。

钻石变石墨

然而，钻石并不久远，至少在地表上无法达到永恒。它的同胞兄弟石墨其实更稳定，钻石最终都会变成石墨，就连收藏在伦敦塔里的非洲之星也不例外。虽然得花上几十亿年才会看见钻石的改变，但对拥有钻石的人来说，这或许仍然是令人难过的消息。

石墨的构造跟钻石完全不同，石墨是碳原子以六角形联结成的层状结晶，构造非常稳定坚固，碳原子间的键结强度也高过钻石。考虑到石墨通常当成润滑剂或铅笔的笔芯，它的碳原子键结强过钻石，还蛮令人意外的。

这个问题不难解释。石墨层内部的每一个碳原子，都跟另外三个碳原子共享四个电子，而钻石内的碳原子则和四个碳原子共享电子。这使得石墨层的电子结构跟钻石不同，虽然化学键更强，但缺点就是层与层之间缺乏多余的电子形成稳固的联结，只能靠材料世界的万用胶支撑，它是分子电场变动产生的弱吸引力，称为“范德华力”。蓝丁胶的黏性就是来自范德华力。由于受力时范德华力会最先瓦解，使得石墨非常柔软。这就是铅笔的原理。把石墨笔芯压在纸上会让范德华力瓦解，石墨层于是滑到纸上成为字迹。如果范德华力不这么弱，石墨会比钻石还坚硬。而这正是海姆团队的研究起点。

仔细观察铅笔的石墨笔芯，就会发现它是深灰色的，并带有金属光泽，难怪几千年来一直被人误认，称它为“笔铅”或“黑铅”，而“铅”笔也是因此得名。分不清铅和石墨情有可原，因为两者都是软金属（现在改称石墨为半金属）。

由于石墨不断出现新用途，例如非常适合铸造炮弹和枪弹，使得石墨矿也越来越值钱。17世纪和18世纪，石墨在英国贵得出奇，甚至有人挖掘秘密通道潜入矿坑偷取石墨，或是到矿场工作时趁机私下夹带。石墨的价格飙涨，走私和相关犯罪也不断增加，直到英国议会1752年通过立法对窃取石墨者处以重刑，最高可判一年劳役或流放澳洲七年，才遏止了这股歪风。1800年，石墨产业的规模更是庞大，所有石墨矿场入口都得由武装警卫站岗以保安全。

石墨有金属光泽，钻石没有，原因同样来自石墨的六角结构。之前提过，钻石内部每个碳原子的四个电子都各有一个外来电子与之键结，因此晶格内的所有原子都被牢牢固定着，且没有“自由”电子。所以钻石不导电，因为晶格内没有电子可以自由活动以承载电流。然而，石墨内部碳原子的外层电子不仅会和隔壁碳原子的电子键结，还会形成一片电子汪洋。这会造成几个结果：首先是石墨可以导电，因为结晶内的电子跟液体一样可以自由活动。其次，爱迪生制作的首盏灯泡就是以石墨为灯丝，因为它的熔点高，就算强力电流通过，也只会散发白热光，不会熔化。而且电子海还是光的电磁跳跃床，会反射光线，使得石墨会如同其他金属一样散发光泽。不过，海姆和他的同伴可不是靠解释石墨的金属性质拿到诺贝尔奖的。这只是他们的研究起点。

碳是地球上所有生物的生命基础。虽然那些碳和石墨差别很大，不过只要燃烧就能轻松变成石墨的六角形结构。木头加热会变成黑炭，面包也是，我们人类遇到火也会变得焦黑。然而，这些都不会产生黑亮的纯石墨，因为产生的石墨层并没有紧密叠合，而是零乱交错。焦黑的物质其实种类繁多，但有一个相同点：它们都含有最稳定的碳结构——六角薄层。

煤炭化为黑玉

19世纪时又有一种焦黑物质蹿起，那就是煤炭。煤炭和烧焦的面包不同，它的碳原子六角形平面结构不是受热产生的，而是腐殖质经过数百万年的地质作用形成的。煤炭最初是泥炭，但在适当温度和压力的作用下会变成褐炭，接着转为烟煤或沥青煤，再变成无烟煤，最后成为石墨。在这个过程中，煤炭逐渐失去易挥发的成分，也就是腐殖质里原有的氮、硫和氧，变成越来越纯的碳。当六角形平面开始生成，煤炭就会出现金属光泽。这个特征在一些漆黑如镜的煤炭上特别明显，例如无烟煤。不过，煤炭很少是纯碳，所以烧起来有时味道才会那么重。

由智利南洋杉石化而成的煤炭最具美感。它质地坚硬，可以凿切和抛光，散放美丽的乌黑光泽。这种煤炭又称为黑琥珀，因为它和琥珀一样能因摩擦而产生静电，让头发竖直。不过，黑玉才是它更广为人知的名字。19世纪，英国维多利亚女王为了悼念夫婿亚伯特王子的辞世，决定终生服丧，从此黑衣素服并佩戴黑玉首饰，立刻让黑玉蔚为时尚。

大英帝国对黑玉的喜好突然大增，使得黑玉矿藏量丰富的约克郡惠特比镇（就是作家斯托克后来写下《吸血鬼德古拉》的地方）一夜之间全面停止生产燃料，改做悼念首饰，从此成为知名的黑玉珠宝重镇。

过去若是宣称钻石跟煤炭以及石墨是同一种东西，一定会被笑是痴人说梦。一直到化学家开始观察钻石受热后的变化，局面才有所改观。

1772年，化学之父拉瓦锡就这么做了。他加热钻石至火红，发现钻石燃烧后什么都没留下，一点不剩，仿佛彻底消失了。这个实验结果让他大为意外。其他宝石无论是红宝石或蓝宝石都能耐赤热，甚至白热，完全不会燃烧，而钻石身为宝石之王却似乎有着致命弱点。

拉瓦锡接下来做的事情真是深得我心，充分展现了实验的优美之处。他在真空中加热钻石，不让空气与之反应，好加热到更高的温度。这个实验说易行难，尤其当时是18世纪，连要制造真空都不简单。然而，钻石受热后的反应让拉瓦锡瞠目结舌。钻石依然不耐赤热，但这回没有消失，而是变成了石墨：证明钻石和石墨确实由同一种物质组成，也就是碳。

知道这一点后，拉瓦锡和无数的欧洲人便开始寻找逆转的方法，想把石墨变成钻石。找到的人就能一夜致富，因此所有人都争先恐后。然而，这是艰巨的任务，因为所有物质都倾向从不稳定态转变为稳定态，而钻石的结构比石墨稳定，所以需要极高的温度和压力才能反转这个过程。地壳下有这种条件，但仍需要数十亿年才能生成一枚巨钻，而在实验室模拟同样的环境非常困难。每隔几年就有人宣称成功，却又一次次被证明失败。投入实验的科学家没有人一夜致富，有人说这证明了没人成功，有人则怀疑成功的人秘而不宣，暗地里慢慢发财。

合成多种碳结构

无论真相如何，一直到1953年才有可靠证据显示，真的有人做到了。如今人造钻石是非常庞大的产业，但仍旧无法跟天然钻石相抗衡。原因有几点：首先是虽然相关技术已经非常精进，使得小枚人造钻石的价格远低于开采得到的天然钻石，但这些钻石往往不够透明且有瑕疵，因为加速制造的过程会产生缺陷，使得钻石染到颜色。事实上，这些钻石几乎都用在采矿业，装配在钻探和切割工具上，不是为了美观，而是为了让工具能切开花岗岩和其他的坚硬石块。

其次，钻石的价值主要来自它的“纯正”。求婚钻戒虽然跟人造钻石构造相同，却是在地底深处酝酿十亿年而形成的。再次，就算你超级理性，不在乎宝石的出身来历，购买人造钻石赠送爱人还是要价不菲。市面上有许多闪亮的替代品不仅便宜许多，而且同样璀璨耀眼，只有钻石专家才分得出真假，例如方晶锆石就是不错的选择，甚至玻璃也可以。

不过，钻石的崇高地位除了受到石墨的强力挑战，还面临另一个打击，那就是它并非世上最硬的物质。1967年，人类发现碳原子还有第三种排列方式，能形成比钻石还坚硬的物质。这个物质名叫六方晶系陨石钻石，结构以石墨的六角形平面为基础，只是改为立体构造，据称硬度比钻石高出58％，但由于数量太少，所以很难测试。最早的样本是在美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷（Canyon Diablo）的陨石上发现的，高热和巨大的撞击力把石墨变成了六方晶系陨石钻石。

没有人用六方晶系陨石钻石做成婚戒，因为产生六方晶系陨石钻石的陨石撞击非常罕见，而且也只会生成极小的晶体。但发现碳的第三种排列方式还是不免引来好奇，除了钻石的立方体结构，煤炭、黑玉、木炭和石墨的六角形结构及六方晶系陨石钻石的三维六角形结构之外，会不会还有其他的排列方式存在？感谢航空工业，第四种排列方式很快就有人合成出来了。

飞机早期多由木材制成，因为木材质轻而硬。第二次世界大战期间，速度最快的飞行器其实是名叫“蚊式轰炸机”的木造飞机。然而，使用木材制作飞机骨架问题不少，因为很难做出无缺陷结构。因此当工程师想做出更大的飞行器时，便转而采用一种名叫铝的轻金属。但铝还是不够轻，所以许多工程师绞尽脑汁希望找出比铝更轻、更坚固的材料。这种材质似乎不存在，于是1963年英国皇家航空研究院的工程师决定自己来发明。

更轻更强的碳纤维

他们为这个材质命名为碳纤维，方法是把石墨纺成细丝。细丝织成布料再纵向卷起，就会有极高的强度和硬度。不过它的弱点跟石墨一样，就是仍然要依靠范德华力，但这问题只要用环氧胶包住纤维就可以解决了。于是一种全新的材质就此诞生，那就是碳纤维复合材料。

虽然碳纤维日后确实取代了铝成为制造飞机的材料（几年前问世的波音787，机体的七成是使用碳纤维复合材料），但这中间耗费了不少光阴。体育用品制造商可是立刻就爱上了这个材料。它一举提升了球拍的效能，使得死守铝和木材等传统材质的球拍，很快就被超越了。

没多久，这个材料便横扫所有能用它制作出更轻、更强力器材的运动。基本上就是所有的运动。20世纪90年代，工程师开始用碳纤维制造更符合空气动力学的单车，从此改写了自行车竞赛。其中最经典的例子，或许是英国自行车传奇博德曼（Chris Boardman）和劲敌欧伯利（Graeme Obree）争夺“一小时纪录”的比赛。这项比赛是要了解人类单凭体力，能在一小时内骑多远。两位选手于20世纪90年代凭借制作越来越精良的碳纤维单车，不仅持续突破世界纪录，也不断打破对方的纪录。1996年，博德曼骑出一小时56.375公里的纪录，引发了国际自行车联盟的强烈反弹，立即下令禁用碳纤维单车，因为他们深怕这个新材料会彻底改变自行车运动的本质。

一级方程式赛车的做法完全相反。他们经常改变规则，以强迫车队在材料设计上不断创新。的确，科技领先是赛车运动不可或缺的一部分，而胜利不只是出于车手的驾驶技术，更来自工程设计的突破。

除了车类竞赛，连赛跑都受到碳纤维的影响，使用碳纤维义肢的残障选手越来越多，终于使得国际田径总会在2008年下令禁止这些运动员和体格健全的一般选手同场竞技，因为他们认为碳纤维义肢会造成不公平的竞争优势。不过，这项命令遭到国际体育仲裁法庭的否决。2011年，南非短跑选手“刀锋战士”皮斯托瑞斯参加了南非世界田径锦标赛的男子400米接力，全队获得了银牌。除非田径联盟采取自行车联盟的做法，否则碳纤维注定会在田径竞赛上扮演更重要的角色。

碳纤维复合材料空前成功，让不少工程师开始幻想追求最不可能的目标。他们问道：这个质地强韧的材料是不是能实现人类长久以来的梦想，兴建一座电梯直达太空？太空电梯计划又称为天钩、天梯或宇宙缆车计划，目的在兴建一条通道，连接赤道和赤道正上空的同步人造卫星。这个计划若能完成，外太空旅行将立刻成为人人负担得起的活动，所有人员和货品都可以轻松送上太空，几乎不必耗费能源。

俄国工程师阿特苏塔诺夫（Yuri Artsutanov）于1960年率先提出这个构想，希望建造一条长达3.6万公里的缆线，连接卫星和赤道上的定点船只。所有研究都显示他的构想确实可行，但制作缆线的材料必须具备极高的强度重量比。之所以要考虑重量，是因为搭建任何缆线结构前，都必须先考虑它能否支撑自己而不致绷断。因此以3.6万公里长的缆线来说，每股缆线的强度必须能举起一头大象，但即使顶级碳纤维也只能举起一只猫。不过，这是因为碳纤维缺陷太多。理论计算清楚指出，只要能做出纯碳纤维，它的强度就会大幅提高，甚至超过钻石。于是所有人开始寻找方法，希望做出这样的材料。

另外一种碳原子排列方式的出现为搜寻者带来了曙光，而且出自一个众人都始料未及的地方，那就是蜡烛的烛焰。1985年，克洛图（Harold Kroto）教授的研究团队发现烛火内的碳原子竟然会自行集结成超分子，而且都恰好包含60个原子。这些超分子外观有如巨大的足球，而建筑师巴克敏斯特•富勒正好设计过结构相同的六角网格球顶，因此这些超分子也称为“富勒烯”。克洛图的研究团队因为这项发现而获颁1996年的诺贝尔化学奖，同时也让世人明白了一件事：微观世界里可能还包含许多人类未曾见过的碳原子排列方式。 碳原子几乎一夜之间成了材料科学最热门的研究对象，而且另一种碳原子的排列方式很快就出现了。

在新的结构中，碳原子会形成直径只有几纳米宽的长管，虽然结构复杂，却有一个特殊性质，那就是它会自行集结，完全无需外力就能自行合成复杂的纳米管，也不需要高科技器材协助，在蜡烛的烟里就能成形。这感觉就跟发现微生物一样，世界突然变成一个比我们想象得更复杂、更神奇的地方。不只是生物能自行合成复杂的结构，非生物世界也可以。世人开始着迷于制造和研究纳米分子，纳米科技也蔚为风潮。

纳米碳管很像迷你的碳纤维，只少了微弱的范德华力。科学家发现它是地球上强度重量比最高的物质，因此或许能用来制造太空电梯。所以问题解决了吗？其实不尽然。纳米碳管通常只有几百纳米长，但必须达数米长才能用来制作缆线。目前全球有数百个纳米科技研究小组正努力解决这个问题，但海姆的团队却没这么做。

海姆的团队问了一个更简单的问题：既然这些新的碳原子排列方式都以石墨的六角形结构为基础，而石墨本身又是一层层六角形平面堆栈而成的，那为何石墨不是我们在找的魔术材料？答案是，六角形平面状的石墨层太容易彼此松动，使得石墨非常脆弱。但要是只有一层石墨层呢？那会是什么状况？

海姆端着咖啡回到办公室时，我手里依然拿着他的奖牌。虽然是他要我拿出来看的，我还是微微有一点罪恶感。他放下咖啡，从我手中取走奖牌，放了一块来自英国坎布里亚郡石墨矿场的纯石墨到我掌心里，跟我说这块石墨是他到矿场拿的。他当时在曼彻斯特大学做研究，矿场就在同一条路上。说完他开始解释他的团队如何做出单层的碳原子六角形平面。

他撕了一小条胶带贴在那块石墨上，随即把它撕下。只见胶带上黏了一层散发着金属光泽的石墨薄片。接着他又撕了一小条胶带贴在石墨薄片上，再撕开。薄片顺利分成了两半。反复四五次之后，石墨薄片越来越细薄，最后他说其中有些石墨的厚度只剩一个原子了。我看了看他手上的胶带，只见上头有几个小黑点，但我不敢小觑，只好目不转睛地盯着看。海姆笑着说：“你不可能看见的，一个原子厚的石墨是透明的。”我故意用力点头假装知道。接着海姆带我到隔壁用显微镜看，这样就能瞧见石墨的原子层了。

海姆的团队拿到诺贝尔奖不是因为做出单层石墨，而是发现单层石墨的性质非常特别，就算放在纳米世界中也一样奇特，应该将它视为一种新材质，并且取个名字。他们决定叫它“石墨烯”。

神奇材料石墨烯

简单来说，石墨烯是世界上最纤薄、最强韧和最坚硬的物质，导热速度比目前已知的所有材料都快，也比其他物质更能载电，导电更快、电阻更小。此外，石墨烯还允许克莱因隧穿效应。克莱因穿隧效应是一种奇异量子效应，物质内的电子可以自由通过（隧穿）势垒，仿佛障碍完全不存在。这表示石墨烯很有潜力成为迷你发电厂，取代硅芯片成为所有数字运算和通信的核心。

石墨烯纤薄、透明、强韧又易导电，因此也可能成为未来触控界面的首选材料，不仅能用在我们已经习以为常的触控屏幕上，甚至连在物品和建筑上也能应用。不过，石墨烯最出名也最古怪的一点，就是它是二维材料。它当然有厚度，只不过就只能这么厚，薄一点或厚一点就不是石墨烯了。海姆的团队展示了这一点。加上一层碳原子到石墨烯上，它就会变回石墨；取走一层碳原子就什么也不剩。

9. 精致的瓷器 PORCELAIN

起初，这些骨瓷茶杯必须跟我母亲从爱尔兰带来的木杯一起挤在橱柜里。我想它们一定吓坏了。当然，木杯很有乡村风，它的色泽美丽天然，自然淳朴的感觉对于向往田园生活的人也很有吸引力，但拿来喝东西实在不合适。不仅木头味很重，表面的细孔还很容易吸收气味，让之后的饮料喝起来味道不对。

除了木杯，我家还有金属做的杯子，显然是露营用具，是因为新婚夫妻餐具不够才拿来充数的。不过，金属杯比起木杯也好不到哪里去。我们用金属刀叉，觉得用起来比其他材质适合，是因为金属硬而强韧，制作出来的刀叉既轻巧又不会弯曲或折断。更重要的是，金属外表光滑明亮，很容易判断干不干净，毕竟这些餐具之前曾经放进别人嘴里。不过金属导热太快，无法用来喝热饮，而且声音又大又吵，有损红茶的优雅形象。

真正的永续环保材料

塑料杯老化得太快，禁不起太阳紫外线的折腾

陶瓷就不同了。它完全不怕紫外线降解和化学攻击，而且比其他材质更耐磨耐刮。油料、油脂和大多数污渍都沾不上它。单宁以及少数分子确实会附着在陶瓷上，但用酸性溶液或漂白水很容易就能去除。这些因素都使得瓷器能长年保持原貌。事实上，我桌上那个茶杯要不是从杯缘到把手有一条小裂缝，而且也被单宁弄脏了，看起来和五十年前没有两样。能做到这一点的东西不多。纸杯似乎很环保，是永续材料，因为纸能回收。但为了防水，纸杯必须上蜡，所以根本不能回收再利用。真正的永续材料非陶瓷莫属。

我自己有好几次把陶瓦锅（通常是度假时买的）放进烤箱里炖肉，结果一小时后却发现锅子裂了，肉汤渗了出来。其他地方我不敢说，但烤箱应该是陶瓷最自在的环境呀，毕竟它们就是在窑里制造的，但陶瓦锅还是一直表现欠佳。原因是汤汁会渗入细孔里，受热后变成气体把细孔炸成微小的裂缝，然后像小溪汇流成河一样，跟其他裂缝串联成大裂缝，最后在陶瓦锅表面裂开，不仅毁了锅子，也往往毁了那道菜。

陶瓦的结晶通常包括石英、矾土和铁锈，因此才会呈红色。

黏土受热时，水分会首先蒸发，让微粒结晶有如沙堡般堆栈在一起，并留下许多孔洞，孔洞是水分消失后留下的空隙。但高温会造成一个很特别的现象，就是结晶里的原子会跳到隔壁的结晶再跳回来。不过，有些结晶里的原子不会回到原位，于是结晶之间开始逐渐形成原子桥，最后有数十亿条原子桥生成，使得原本只是堆在一起的结晶群变成单一的连续体。

一般常见的砖头便是陶瓦的一种。

东方的陶匠最先解决了陶器多孔和易碎的问题。首先，他们发现只要在土坯上覆盖一种特别的灰烬，这些灰烬就会在加热时变成玻璃态涂层附着在陶器表面，把土坯外层的孔洞都封住。改变釉粉的成分与上釉部位，就能为陶器上色和装饰。这不仅能让陶器防水，更开启了陶器装饰的新境界。现在很容易见到这种上釉土器，我家厨房里就有不少，像是厨房水槽周围的墙壁和流理台的瓷砖，它们让厨房容易清理又美观，当然浴室和厕所里也少不了瓷砖。使用花纹瓷砖铺设地板、墙壁甚至整栋楼房，是中东和阿拉伯建筑的特色。

上釉能防止水分渗入，却仍无法解决瓷砖内部孔隙过多的问题，而这正是裂痕出现的原因。所以瓷砖还是相对脆弱，上釉的陶杯和陶碗也不例外。这个问题还是由中国人解决了，不过靠的是发明一种全新的陶瓷。

中国人发明精致瓷器

两千年前，东汉的陶匠想要改善自己做出的陶器，开始进行实验。他们不仅尝试各种不同的黏土，还自己调配黏土，加入各种河里黏土不会有的矿物质。其中一种矿物质就是白色的高岭土。为什么要加高岭土？没人知道。或许纯粹出于实验精神，也可能因为陶匠喜欢高岭土的颜色。

他们显然试过各种混合，最后终于发现一种特殊配方，成分包括高岭土和一些其他矿物质，例如石英和长石，混合成一种白黏土，加热后会变成非常好看的白陶。这种陶并不比土器强韧，但和之前已知的黏土不同，只要把窑火加热到极高的1300℃，它就会发生奇怪的变化，成为外表如水的固体。这种白陶的表面近乎完全光滑，可以说是世上可见的最美的陶瓷，而且强度和硬度都远超其他陶瓷。由于强度极高，它可以制成极薄的杯碗，几乎和纸一样薄，却依然不容易产生裂痕。做出来的杯子近乎透明，相当细致。它就是瓷。

瓷结合强韧、轻盈、优雅和无比光滑的特质，成为它最强有力的条件，很快就和皇室连上了关系，成为财富和高雅品位的象征。但瓷还有另外一层意义。由于造瓷需要丰富的知识与技术，要能找到适当的矿物比例并建造可以产生高温的陶窑，瓷成为技巧与艺术完美结合的象征。瓷很快便从中国的骄傲变成了中国的图腾，成为国力的展现。自此之后，中国历朝历代都会有自己的官窑。

中国各朝努力制作精美绝伦的器皿和礼器来装点皇宫，以彰显自家陶艺。不过他们深知要让宾客真正惊艳，不仅得让宾客看见瓷的轻盈与透明，还要亲眼和亲手体会，而品茗正是最完美的机会。于是以瓷杯奉茶待客不仅成为精湛陶艺的展现，也是雅致的文化活动，最后更成为一种仪式。

中国引领风骚五百年

贝特格原本是炼金术士，但1704年于拘禁期间受命当冯齐恩豪斯的手下，使用各种白色矿物有系统地进行实验，以找出制造瓷器的方法。他们在当地发现的高岭土成了实验的转折点。两人一旦创造出所需的高温，就破解了中国人保守千年的秘诀。

贝特格没有用茶杯来证明自己真的做出了瓷器，而是把白热状态的瓷器从1350℃的窑中取出，直接抛进装水的桶子里。绝大多数陶器都会因为冷热差距过大而破碎，土器和陶瓦更会爆裂，但瓷器实在够硬够韧，竟然毫发无伤。萨克森国王信守承诺，大大奖赏了贝特格和冯齐恩豪斯，因为发明了欧洲精瓷肯定能为他带来巨富。

从此之后，欧洲各地的科学家和陶匠都开始拼命实验，希望能找出制造瓷器的秘诀。虽然间谍密探满天飞，英国还是花了五十年才用本地原料做出瓷器，并命名为“骨瓷”。我父母亲当年结婚收到的茶杯组就是骨瓷做的。

于是1962年的某一天，在米奥多尼克家宣布喜讯之前，康瓦尔的矿工黎明即起，和过去两百年来一样穿越康瓦尔丘陵的野生蕨类丛林，经过坑洞和水车来到特维斯科矿场，挖掘一种特别的白色黏土。在这些人挖掘高岭土的同时，马路另一头的花岗石矿场则有矿工在挖掘矿石，包括云母、长石和石英。史塔夫郡及邻近的契郡、德比郡、莱斯特郡、华威郡、沃斯特郡和许洛普郡的农人牧养牲畜，并把死去牲畜的骨头焚烧后磨成细粉。所有材料随后运往特伦特河畔的斯托克市，在某个冬日烧制成我桌上的茶杯和同组茶具。

繁复的制造过程

瓷窑需要降温两天才能打开，但茶杯依然热得无法安全取出。不过，一群身材壮硕魁梧、满身煤渣的工人会穿着三层羊毛衫和外套，走进窑里取出火泥箱。有些火泥箱已经受热裂开了，里面的茶杯接触到烟尘和火焰，只能接受不幸的结局。但米奥多尼克家的茶杯完好无缺，安然蜷伏在宛如子宫的火泥箱中，直到工人把箱子小心撬开，让它们以最出色的骨瓷风采降临世间。专家会检查它们有无瑕疵，接着如同打婴儿屁股一样轻弹一下做最后的检查。

轻弹茶杯倾听声音，是最清楚而确定的方法，来确认杯子是否完全成形。只要杯子内部稍有瑕疵，有孔隙在白热状态时没有由玻璃浆填满，声响就会有部分被吸收，无法发出清脆的回音，听起来会闷闷的，而完全致密的茶杯则是余音绕梁。就是这个回音让米奥多尼克家的茶杯得到了认可，可以待价而沽。若轻弹陶瓦杯几乎不会听到任何声音，顶多就是一声闷响。而我的茶杯由于完全紧实，没有任何瑕疵，因此即使像纸一样轻薄透明，却能维持五十年形状完好细致。就算现在轻弹茶杯，依然能听见它的强韧与生气。

与文化相结合

茶虽然源自中国，却成了英国的国民饮料，不过两者的角色大不相同。茶在汉朝是财富与教养的象征，在英国却是用茶包装着最廉价的混合研磨茶叶冲来喝。我们喜欢茶是深棕色的，看到麦芽色就觉得这是一杯好茶。其实比起纯种茶，我们喝茶的口味相当清淡。我们会加牛奶中和苦味，在冷天和雨天喝茶抚慰自己。茶的味道基本、质朴而谦逊，用马克杯品尝更是如此。

10. 长生不死的植入物 IMPLANT

变得更强的方法

古埃及人用亚麻和制作木乃伊的技术来固定断腿，古希腊人用布料、树皮、石蜡和蜂蜜来处理，但我用的却是熟石膏，这是来自19世纪土耳其人的发明。熟石膏是石膏脱水而成的陶土，跟水泥一样掺水后会硬化。但熟石膏非常易碎，无法单独使用，用个几天就会碎裂。不过只要加上绷带，绷带的棉质纤维会强化石膏，阻止裂隙蔓延，熟石膏就会强韧许多，可以包扎断腿长达数周。比起古埃及和古希腊的做法，上石膏最大的好处是我不必在床上躺三个月，等腿自我修复。石膏模够硬够坚固，能承受人的体重和使用拐杖走路时的撞击，同时让腿顺利康复。石膏绷带发明之前，断腿往往会让人一辈子不良于行。

解决牙疼烦恼

我没办法再吃喝任何东西，因为神经从断牙处露了出来，一碰到就痛得厉害，像针刺一样，所以对任何入口的东西都非常敏感。

1840年，有人发明了一种银、锡、汞的合金，称为“汞齐”，成为人类蛀牙史上的转折点。原始状态的汞齐因为含有水银，在室温时是液体。但只要掺入其他成分，汞齐里的汞、银和锡就会发生反应，形成新的结晶，非常坚硬耐磨。这种神奇材料可以在液态时注入牙齿蛀孔中，等它硬化。而且它硬化后会稍微膨胀，使填充材料“咬住”蛀孔，和牙齿完全密合。汞齐制成的填充材料远优于铅或锡制成的填充物。后两种金属虽然都有人用过，但质地太软无法耐久，而且要以液体形态灌入蛀孔，都得加热到熔点，但这又会烫到令人无法忍受。

这种廉价又无须拔牙的龋齿治疗法问世150年后，我接受了人生中第一次补牙。那块补牙现在还在，我用舌头还能感觉到它光滑的表面。它让我从身心俱创的小男孩再度变回了活泼调皮的捣蛋鬼。我后来又补了八次牙，前四次用汞齐，后四次用复合树脂。复合树脂由硅石粉末和强韧的透明塑料混合而成，坚硬耐磨，而且颜色比汞齐更接近牙齿的原色。和汞齐一样，复合树脂也是在液态时灌入蛀孔，但灌入后需要用紫外线照射，启动树脂内的化学反应，让树脂瞬间硬化。除了补牙之外，现代人还可以选择拔掉蛀牙换成瓷牙或氧化锆牙。这两种材质通常比复合树脂更耐磨，颜色也更像牙齿。要不是这些生物医用材料，我现在可能没剩几颗牙了。

用钛固定韧带

韧带是人体的橡皮筋。肌肉、韧带和联结肌肉与骨骼的肌腱，这三样东西负责联结关节，让人体可以自由动作。骨骼之间由韧带联结，韧带有黏弹性，亦即它能瞬间拉长和弹回，但只要拉长不动一段时间就会变长。这就是运动员常做伸展运动的原因，他们希望拉长韧带，让关节更有弹性。韧带虽然对关节如此重要，却没有血液补给，因此只要断裂就几乎无法复原。所以为了让我的膝盖恢复正常运作，就得更换韧带。

这类手术有几种做法，而我的主治医生选择用我的大腿后肌来重建我的前十字韧带。但为了让新的韧带固定在膝盖上，就必须使用螺丝把新的韧带牢牢拴住，让我未来能再踢足球或去滑雪。

就活动力而言，人体最先耗尽的不是肌肉也不是韧带（算我倒霉），而是关节内面。膝关节和髋关节尤其如此，因为这两个部位的运动特别复杂，需要承受极大的重量。但手肘、肩膀和手指的关节也会磨损。关节的磨损和撕裂会造成慢性骨关节炎，让人长期疼痛。另一种关节炎叫类风湿性关节炎，是人体免疫系统攻击关节所致，也会产生同样的症状。

但无论是关节自行毁损，还是出车祸或剧烈运动造成关节损伤，只要臀部、膝盖、手肘或任何部位的关节耗损殆尽，再多休息与静养也回天乏术。关节内面和骨骼不同，无法自行修复，因为它们根本不是由骨骼构成的。

关节置换不麻烦

所谓的关节炎其实就是软骨受损，而软骨一旦受损就不可能复原。

因此，髋关节置换手术就是把大腿骨顶端的股骨头锯掉，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，最后垫上高密度聚乙烯当成软骨。这套人工关节能让腿部活动完全恢复，并且能使用数十年，只有当聚乙烯磨耗了才需要更换。最新款的人工髋关节密合度更高，甚至不需要聚乙烯来当缓冲，但是否更耐用还言之过早，因为金属（更新款则使用陶瓷）直接接触可能会产生其他的磨损问题。不过，髋关节置换目前已经成为很普通的手术，让数百万的老年人重拾了活动力。

膝关节置换手术的原理相同，只是关节活动机制比较复杂，膝关节不是杵臼关节，它同时需要扭转又能弯曲。下回在咖啡馆无所事事望着窗外发呆时，不妨留意一般人怎么走路：首先是膝盖超过身体，定在下一步要踩的位置上方，再让小腿和脚甩到定位。脚着地后，脚掌必须调整角度或扭动或倾斜以贴合地面，这些都需要膝盖以复杂的方式调整动作来配合。跑步对膝盖的压力更大，因为在执行上述动作的同时，还得不断承受冲击。只要试着走路不弯膝盖，就会明白膝关节对活动力有多重要。

人体组织可再造

用支架重建软骨组织听起来有点像天方夜谭，其实已经是确证的做法，于20世纪60年代由亨奇（Larry Hench）教授率先尝试。当时一位陆军上校问他能不能找到方法，帮助越战退伍伤兵再生骨骼，免于截肢的命运。“我们救得了性命，却救不了四肢。我们需要发明身体不会排斥的材质。”亨奇和其他科学家多方寻找与骨骼更相配的材质，结果找到一种名为羟磷灰石的矿物。人体内就有这种矿物质，而且它能强力附着于骨骼上。亨奇等人实验了许多组态，发现羟磷灰石在玻璃状态时，性质尤其特殊。这个生物活性玻璃有许多小孔，也就是拥有许多微小通道，称为成骨细胞的骨细胞喜欢住在这些通道里，并于制造骨骼时分解周围的生物玻璃，就像把玻璃吞食了一样。

这套组织工程非常成功，目前主要用于合成植骨及重建颅骨和颧骨，不过尚未用于支撑性质的骨骼，因为这类骨骼必须承受人体重量，重建时间极长，而支架无法长时间承受巨大的压力。目前的做法是在实验室重建这类大型骨骼，因为支架不仅能存在于人体，在实验室里也行。细胞必须在生物反应器里培养，而反应器除了模拟人体内的温度与湿度，还提供养分。这项技术的成功也开启了新的可能，未来可望制造出能完全替代人体组织的植入物。目前这个领域已经跨出了第一步，在实验室成功培植出了人体气管。

这项计划的起因是一位气管出了问题的病人。由于他的气管出现癌细胞，必须切除。如果不置换气管，病人就得终生倚靠呼吸器生活。科学家首先以医院常用的X光电脑断层扫描来扫描病人。计算机断层扫描通常用来寻找大脑和其他器官里的肿瘤，但这项计划用它来替病人的气管建立3D影像，之后把影像输送到3D打印机。

3D打印机是一种全新的制造技术，可以使用数字信息制造出完整的物品。它的原理跟一般打印机类似，只不过打印头射出的不是墨点，而是材料微粒，一次射出一层，逐层把物品制造出来。这项技术目前不仅能打印杯子和瓶罐之类的简单物品，还能打印带有可动部位的复杂物品，例如轴承和马达。可以使用这项技术的材料现在有一百种，包括金属、玻璃和塑料。赛法利恩（Alexander Seifalian）教授的研究团队先做出可适应病人干细胞的支架材料，再把这个特殊材料放入3D打印机做出病人气管的精确复制品。

成人干细胞的功能为更新组织，而人体每一种细胞都有相应的干细胞负责生成细胞。生成造骨细胞的干细胞称为间质干细胞。赛法利恩教授的研究团队做出支架后，把病人骨髓内取出的间质干细胞植入支架，再放入生物反应器中。随后干细胞转变成数种不同的细胞，开始建造软骨和其他结构，形成一个自我维持的活体细胞环境，并溶解细胞周围的支架，最后会留下一个全新的气管。

这项技术的一大优点在于植入物完全由病人自己的细胞制成，一旦植入就自然成为身体的一部分，病人完全不需要服用副作用强烈的免疫抑制剂来防止身体排斥植入物。免疫抑制剂会压制免疫系统以保护植入物，使得病人可能受到寄生虫的攻击和各种感染。然而，人工气管若要正常作用，身体必须输血给它，而目前还不清楚人体是否能建立足够的供血管道。此外，人工气管内的细胞生态必须维持稳定，气管才不会变形，病人才能正常呼吸。而消毒是另一个问题。支架使用的聚合物非常脆弱，无法承受传统的高温消毒。虽然有这些难题，研究人员还是于2011年7月7日完成了人类历史上首次的病人自体干细胞培植气管移植。

这项技术的成功加速了新一代支架材料的研发。人工气管必须能吸气、呼气，并得到血液供应才能维持长久，但它还不是人体内的调节器官。科学家接下来的挑战是培养肝、肾甚至心脏。目前人体的这些主要器官一旦衰竭，就必须靠器官移植才能恢复健康。但器官移植得仰赖捐赠，而且必须匹配，移植后还得终生服药以防器官排斥。不过由于器官移植通常是病人重拾健康与独立的唯一希望，使得捐赠的器官往往供不应求。

器官长期短缺造成了三个后果：首先，肝或肾坏死的病人需要长期照护，不仅费用庞大，还会让他们无法自主生活。其次，许多患者往往等不到合适的心脏就过世了。最后，器官黑市交易越来越猖獗，更多穷人（尤其是发展中国家的穷人）被迫出售器官。不少调查都证实确有此事。最新一份来自美国密歇根州立大学的报告，记载了33个孟加拉人出售肾脏却没拿到钱，还因为手术赔上了身体健康。通常这些穷人会搭机前往器官接受者所在的国家，在私人医院摘除器官，然后立刻进行移植。据称，一枚肾脏的平均价格是1200美元。

除非找到方法取代器官移植，否则这些问题永远无法解决。生物材料支架组织工程是眼下最具前景的替代方案，但显然还有许多难关要克服。这些主要器官结构复杂，往往具有多种细胞，互相协调执行器官功能。以肝和肾为例，人工肝肾不仅要有血液供应，还必须联结大动脉。人工心脏需求最急迫，因为人体只有一颗心脏，失去作用的话，人一定会死。目前已有数种人工心脏面世，但使用者最长只存活了一年。

无法克服老化

老化不是由于细胞老了，而是因为制造细胞的系统退化了。老化就像以讹传讹，下一代细胞无法重建上一代遗传下来的结构，使得错误和瑕疵有机可乘。我的肌肤老化不是因为肌肤细胞43岁了，完全不是。成人干细胞会一直生成新的细胞取代旧的细胞。肌肤老化是因为肌肤结构会出现错误和瑕疵，传递给下一代细胞，使皮肤开始出现斑点、皱纹并变薄。这些劣化会代代延续下去。

合成植入物是大胆的创举，能解决人体组织或器官过早耗竭的问题，但它无法解决死亡的问题（如果我们认为死是问题的话），而只能改善生活。科学家目前已经开发出机械义肢来取代手术切除的四肢。这些电子机械装置能接收大脑向四肢发出的脉冲并转译成握紧或抬脚等信号，让义肢进行动作。同样的技术也用来帮助颈部以下瘫痪的人，让他们能操控机械义肢，获得一定程度的独立自主。这些技术虽然是为了残障或瘫痪人士设计的，不过也可以用来帮助因为老化而失去活动力的长者。

这类技术提供了一种不同于组织工程的未来：一个生物神经机械的世界。在这个世界里，我们的身体活动将越来越仰赖合成电子元件，我们跟世界的实体联结也是如此。这就是“无敌金刚零零九”所想象的技术，让奥斯丁变得“更好、更快、更强”。电视剧说这项技术需要六百万美元，换算成现在的美金是三千五百万元。虽然金额是虚构的，却点出了长生科技的致命伤──价格惊人。想维持健壮到100岁得花上一大笔钱。谁愿意付这么多钱？这会成为奢侈品吗？只有富人到了98岁还可以打网球，其他人只能坐轮椅吗？还是这项技术只会让我们的退休年龄延后，要一直工作到八九十岁？我比较喜欢第二种未来。但若费用真的是三千五百万美元左右，那我们大多数人就算工作再多年也负担不起。

后记 材料科学之美

万物都由原子构成

地球上自然存在的原子有94种，但其中8种构成了98.8％的材料与物质，分别是铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙、铝，其他都算是微量元素，连碳也不例外。

排列的规则取决于量子力学，而量子力学把原子视为波函数，而非粒子，因此用结构来称呼原子本身以及原子形成的键结更为恰当。

由一百个左右的原子堆叠而成的骨架就叫纳米结构。1纳米是十亿分之一米，属于这个尺度的物体叫大分子，也就是由数十到数百个原子组成的较大结构，例如我们体内的蛋白质和脂肪。塑料的主要成分也属于这一类，像是制造赛璐珞的硝化纤维素和必须从木浆中去除才能造纸的木质素。纳米尺度的多孔结构就是非常细致的发泡材料，例如气凝胶。

结构尺度影响大

纳米科技之所以在最近蔚为风潮，是因为我们现在有了显微镜等工具，能直接在纳米尺度进行操控，创造大量的纳米结构。我们现在能做出搜集光转化成电来储存的纳米结构，以做出发光源，甚至做出能感受气味的纳米粒子。纳米科技似乎拥有无限可能，但更有趣的是，许多纳米结构都能自我合成，也就是这些材料能自行生成。听起来很诡异，但完全符合已知的物理定律。汽车马达和纳米马达的差别在于，纳米世界的主要作用力为静电力和表面张力，纳米尺度下的重力非常微弱，而前述两种作用力却特别强。但对车子而言，最强的作用力是地球的重力，重力会让车子肢解。因此我们可以设计纳米机械，让它能利用静电力和表面张力自动合成与自行修复。细胞内部本来就有这套分子机制，所以才会自行生成，但在人的尺度上就需要力气和强力胶了。

生物细胞、铁结晶、纸的纤维素纤维和混凝土原纤维也属于微观尺度。这个尺度中还包括一个伟大的人造结构，就是巧克力的微观结构。可可脂结晶有六种结晶构造，熔点各不相同，使得巧克力拥有非常特殊的口感。糖的结晶和包含巧克力香味分子的可可粉也属于这个尺度。改变巧克力的微观结构就能改变巧克力的味道与口感，而这正是巧克力师傅的本领所在。

材料科学家正开始设计可以控光的微观结构。这类人造“超材料”具有可变的折射率，可以把光曲折成任意角度。这项技术催生了第一代的隐形斗篷，只要围住某个物体，它就会弯折射向物体的光线，让人无论从任何角度看都会觉得那个物体消失了。

肉眼可见的尺度

设计不同尺度的结构让我们有能力发明新材料，但21世纪真正的难题在于结合所有尺度的结构，形成人的尺度的物体。虽然智能型手机是这种整合的实例，它结合了介观尺度的触控屏幕和纳米尺度的电子元件，因此让整个物体全接上电线，有如布满神经线路般，已经不再是不可能的任务。一旦全面实现，我们的房子、建筑甚至桥梁都将可以自行发电，传送到需要的地方，同时能侦测毁损并自我修复。如果你觉得这听起来像科幻小说，别忘了生物体内的物质早就做到这一点了。

生命与无生命的分野

无生命体在受到人的尺度的外在压力时，所有尺度都会受到影响，诱使许多内在机制产生反应，最后可能造成无生命体改变形状、断裂、共振或变硬。相较之下，生命体侦测到外力来临时则会采取某种行动回应，例如挡回去或转头逃跑。这类生命反应非常多。树枝是被动的，大部分时间都表现得像无生命体，猫腿则毫无疑问几乎随时都生气勃勃。而科学的重大问题之一就是：不同尺度间的联系加上主动回应，是否足以构成生命现象？这个假说并不是要贬低生命体，而是想抬高无生命物质，它们比外表看上去复杂多了。

材料拥有意义