奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇

　　《奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇》从“材料科学”的观点出发，既介绍了黄金、铁、陶瓷、碳酸钙引人入胜的故事，又介绍了铝合金、不锈钢、半导体性能优异的秘密，还介绍橡胶、聚乙烯、高性能磁铁曲折的发明历程。 　　《奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇》讲述了改变世界文明的12种新材料的故事，从“铁器时代”到“元素材料时代”，不同的材料改变了世界文明的发展进程。从“金”“铁”等古老的材料开始，到“陶瓷”“纸”“胶原蛋白”“碳酸钙”，再到“铝”“塑料”“硅”等近现代的材料，该书介绍了12种材料被人类发现和利用过程中生动有趣的故事。这些故事，让我们重新思考人类历史与技术的关系。

了解构成我们日常生活的基础物质——材料的历史，是一件非常有趣的事情 ——日本立命馆亚洲太平洋大学校长，“阅读大师”出口治明

第一章 推动人类历史的魔力金属——黄金 黄金的光芒 点石成金的迈达斯国王 金币问世 美丽的元素三姐妹 黄金之岛——日本 炼金术时代 黄金的魅力 第二章 跨越万年岁月的材料——陶瓷 容器与人类 陶瓷的诞生 陶器为何如此坚硬？ 制陶与环境破坏 瓷釉的问世 白瓷的问世 白瓷渡海 欧洲瓷器简史 从日用陶瓷到新型陶瓷 第三章 来自动物的无上杰作——胶原蛋白 人类为何痴迷于旅行呢？ 动物皮毛拯救了人类 胶原蛋白的秘密 化身武器的胶原蛋白 弓矢时代 今天的胶原蛋白 第四章 文明的催化剂——铁 材料之王 重物质的归宿——铁 钢与森林滥伐 “不生锈的铁”问世 铁即文明 第五章 文化传承的记录媒介之王——纸 从房屋到纸张 造纸术的改进者 纤维素为何如此强韧 ？ 洛阳纸贵 造纸术东渡 造纸术西传 古腾堡印刷术的问世 记录媒介之王 第六章 千变万化的材料之星——碳酸钙 变换自如的大明星 孪生行星的分水岭 石灰与土壤改良 铸就帝国的材料 海洋生物与碳酸钙 克娄巴特拉七世的珍珠 哥伦布的珍珠 珍珠泡沫与价格崩溃 “海底热带雨林”的危机 第七章 编织帝国繁华的材料——绢（丝蛋白） “蚕宝宝” 绢的起源 绢丝的奥秘 丝绸之路 丝绸帝国 新型蚕丝的时代 第八章 缩小世界的物质——橡胶 重于生命的感动 催生球类运动的时代 分泌橡胶的植物 橡胶弹性的秘密 橡胶远渡重洋 硫化橡胶的诞生 联结分子的桥梁 橡胶引发的交通革命 第九章 加速技术创新的材料——磁铁 磁铁的本质 发现“慈石” 指南车与罗盘仪 东方世界的大航海时代 困扰哥伦布的“磁偏角” 不朽的名著——《磁石论》 生命的保卫者——地球磁场 近代电磁学的诞生 磁铁在记录媒介中的应用 寻求更强劲的磁性材料 第十章 创造奇迹的“轻金属”——铝 兼顾防御与机动性 铝是怎样被发现的？ 痴迷铝的皇帝 关于铝的科学知识 青年科学家们创造的奇迹 翱翔于天空的合金 新材料引发的革命 第十一章 变换自如的万能材料——塑料 席卷全球的材料 塑料的强大之处 扼杀塑料于摇篮中的皇帝 塑料是巨型分子 诞生于意外好运的塑料 天才的悲剧 “塑料之王”——聚乙烯的问世 塑料的未来 第十二章 无机材料之王——硅 开启计算机文明 古希腊的计算机 人类的计算机器梦想 处于命运歧途的元素兄弟 硅元素的历史 半导体的秘密 跨入锗时代 硅谷奇迹 第十三章 人工智能主导下的“材料学”研发竞争的发展趋势 未来的材料 “隐身斗篷”能实现吗？ 围绕电池材料的白热化竞争 人工智能主导下的新材料开发 材料蕴藏着无限的可能性 结 语

“新材料”改变世界文明进程 材料蕴藏的力量 人类建立文明社会至今已有数千年之久，历经大大小小无数次历史的转折点之后，我们才一步步走到了今天。也许是某位天才人物发明了新物品或悟到了新思想，也许是与远方的国家进行商贸往来，或者与别国开战，结果就催生了这些历史的转折点。从王朝、思想、学术、宗教、政体到每日互相问候的用语、日常食品等，可以说在人类社会中根本不存在一成不变的事物。 即使在极度打压对外交流及创新行为的江户时代的日本，社会内部也发生过数不清的变革，其中包括实现农业技术革新、普及货币经济，在文学与绘画等方面也收获了极具特色的艺术成果。从这个角度来看，确实可以说“变革”本身才是人类社会的本质。 这种天翻地覆的变革并非遵循一条循序渐进的轨迹，而是以发散式的形态贯穿于历史之中。众多具有革命性的转折点往往发生于转瞬之间，如同对弈中的妙招般将旧有的局面瞬间 改变。 就拿生活中的音像产品为例，第二次世界大战之后，黑胶唱片长期以来一直担任推广、普及音乐的主力。不过，在1982 年激光唱片（CD）问世后，黑胶唱片在极短的时间内就彻底退出了历史舞台。此后，激光唱片由于网络数据下载技术及视频门户网站的发展也被时代淘汰了。1998年，单曲及合集的白金唱片（即销量超过百万张）就有将近40部，可仅仅过了20多年，“白金唱片”就成了历史名词，当时又有谁能预测到这样巨大的变化呢？ 总的来说，预测未来变化的方向难于登天，而试图激发符合自身需求的变化更是难上加难。在当代的日本，大家都希望改变现状，也都明白变革是唯一的选择，可惜各种利害关系的纠缠成了阻碍变革的绊脚石。所有党派的政治家都在高呼改革，企业也为了开拓创新之路投入大量研究经费，可惜所获得的成果却不如人意。 那么，引发社会变革到底需要哪些必要因素呢？当然，单一因素很难推动变革，唯有多种因素汇集才能推动世界变革。在本书中，笔者将目光聚焦于材料蕴藏的力量。这是因为历史上绝大多数重大转折的根源，最终总会落实到纸、铁、塑料等优秀材料所蕴藏的力量上。 能证明这一观点最有力的证据就是石器时代、青铜时代、铁器时代之类的历史名词。青铜武器击败木石武器易如反掌， 能深耕土地的铁制工具为农业增产发挥了重大作用，并促进了人类种群的繁衍壮大。每当一种新材料登上历史的舞台，就会为人类文明迈上新台阶打下坚实的基础。也正是由于这个原因，历史学家才会以材料的名称划分人类的历史时代。从另一方面来说，采取这样的划分方式，关键在于石器与青铜器能经得起千年时光的侵蚀而保留至今，而人类利用木材与布料的起始时代至今依然没有定论。 文明发展的速率控制步骤 本书之所以聚焦于引发历史变革的诸多因素中的材料，是因为在笔者看来，材料是制约历史变革的速率控制步骤。速率控制步骤是化学术语，指的是在A物质转化为B物质、B物质转化成C物质、C物质转化为D物质等一连串的化学反应中，反应速率最迟缓的步骤。这个步骤的化学反应速率决定了整体的反应速率，因而被命名为速率控制步骤。举个例子，假设一辆汽车行驶100千米的路程，其中有10千米路况极差的路段需要行驶2小时，那么这辆汽车在其他路段的行驶速度无论是90千米/小时还是110千米/小时，对整体行驶时间来说，影响并不大。路况极差的10千米对整体行驶时间具有决定性的影响。这就是速率控制步骤的概念。 正如前文所述，促使人类文明进入一个新阶段需要多种因素相结合，其中包括拥有罕见才华的智者，社会价值观革命， 政治环境、经济形势或者是自然环境等方面的剧烈变化等，只有具备了这些必要条件才会引发人类社会变革，其中新材料问世比其他因素更加罕见。笔者在此提出这样一个观点：符合时代需求的新材料的问世，是引发世界大变革的决定因素之一， 新材料的研发阶段也就是人类社会发展的速率控制步骤。 以前文提到的唱片为例，最初的唱片是以紫胶虫吸取树木汁液后的分泌物——虫胶的固化物为原料。进入20世纪50年代，以聚氯乙烯为材料的唱片问世，立即催生了巨大的音乐市场。与易碎、易磨损的虫胶相比，轻便、结实的聚氯乙烯可以长期保存， 而且容易进行大批量生产。假如没有聚氯乙烯这种令人惊异的材料，音乐很难像今天这样走进千家万户。 在20世纪50年代之后，与此前的时代完全不同的是，全球音乐界突然涌现出众多明星。莫非此前时代的人们缺乏音乐细胞吗？答案当然是否定的，原因在于即使此前的时代存在过不亚于“猫王”和“披头士”的音乐天才，但是人类还未拥有将这些音乐天才的歌声以便宜、高音质的方式传播给社会大众的材料。 当然，音乐之所以能传播到世界的每个角落，电视机的普及肯定发挥了重要作用。但是，仅凭电视机无法催生出一个巨大的音乐市场，也未必能给各种音乐天才留下璀璨闪光的机会。唯有聚氯乙烯的问世，才突破了世界音乐文化传播的速率控制步骤。 更准确地说，聚氯乙烯的问世引发了记录媒介的革命，而记录媒介的发展对音乐本身，也可以说是对音乐家这种职业的工作方式带来了变革。在两三百年之前，也诞生过无数伟大的歌手、演奏家，但给后世留下不朽声望的只有莫扎特、贝多芬等作曲家。他们将自己的乐谱保留于纸张之上，使得这些作品能够传播到遥远的国度，并流传于子孙后世。与作曲家相比， 当时的演奏家就 不那么幸运了，除了亲临现场欣赏之外，没有任何手段能将来自音乐的那份感动传达给其他人。 只有进入现代社会，通过录音或摄影等技术才能突破时间与空间的限制，将不亚于真实效果的音乐演奏之美传送给社会大众。进入20世纪以来，音乐界最大的变化是：直接打动观众的歌手和演奏者成了广受瞩目的明星，而作曲家则成了不那么受追捧的幕后工作者。可以说，造成这种转变的关键就是记录媒介的巨大变革。 改变世界文明进程的材料还有很多种，与前文提到的石材、铁、聚氯乙烯等大规模应用材料推动历史的进程不同，还有一些材料以其稀有性和昂贵的价值成为人类争夺的对象，从而推动历史发展。其中，最著名的例子就是黄金和丝绸。 此外，也可以根据材料的来源进行界定。最初，人类从自然界获取石材、木材等，直接根据材料的性质加以利用。随着时代的进步，逐渐出现了铁等需要对自然界的物质进行二次加工才能获取的材料。到了现代，塑料这种由人工发明而产生的在自然界不曾存在过的材料出现了。当前世界的新材料则是根据精密的分子设计开发，拥有自然界物质根本不可能存在的 性能。 本书从这些为数众多的材料中精选12种材料，着重介绍它们与人类历史变革的关系，从而为“新材料是开启新时代之门的钥匙”这一观点提供佐证，并希望以此激发广大读者对材料科学的兴趣。 佐藤健太郎