奇妙的材料
★★★☆☆
非常浅显，蜻蜓点水地介绍了十几种材料。面面俱到，篇幅有限，必不深入，索骥之图耳
1—黄金
与需要发达的冶炼技术才能制备的铜、铁不同，在自然界即可寻获纯度较高的黄金。由于黄金具有常见物质所没有的炫目光泽，古人能够比较容易地找到黄金。我想，正是这些特征，才使黄金成了全球各民族最先接触的金属。
最能体现人类对黄金极端渴望之情的例子是希腊神话中的迈达斯国王，相传由于他盛情招待酒神狄俄尼索斯，酒神答应满足他的一个愿望作为回报。迈达斯提出的愿望是拥有把所有摸过的物体变成黄金的能力。 迈达斯的兴奋之情没能维持多久，他很快就发现，凡是自己的手接触过的东西，包括食物和水都变成了黄金，到最后连他的女儿也变成了黄金雕像。此刻，迈达斯对自己的贪欲感到无尽的悔意，向酒神忏悔谢罪。酒神谕示他在帕克托洛斯河清洗身体，这才将一切事物恢复原状。 历史上确实有位迈达斯国王，在公元前8世纪，他所辖的王国位于佛里吉亚（今天的土耳其中西部）。事实上，这个王国由于帕克托洛斯河出产的金沙而富饶无比，因此有很多关于迈达斯国王的神话。
在实际生活中，黄金的特点决定了它不具备实用性。黄金的密度高达19.3克／立方厘米，大约是铁的2.5倍，却柔软易变形，所以黄金不适合用于制作武器或工具。在铸造金币或制作饰品时，为了弥补黄金硬度不足的缺陷，必须使用银或铜，制造出银或铜含量为10%左右的合金。一直到了近代，人类才根据黄金的特性，将黄金作为牙科填充材料及电子设备材料等。
但是，随着历史的发展，金币的地位逐步被白银和铜所取代。例如，古罗马时代虽然铸造发行了奥里斯金币和苏勒德斯金币，但是市场上广为流通的基础货币是迪纳厄斯银币和塞斯特帖姆铜币。这是因为金币价格过高，在日常交易中难以使用，所以大多数金币转而成为储蓄专用货币。
其实在元素周期表中，这三种金属刚好都在同一列上，属于同族金属元素，这意味着它们具有相似的化学性质。其中，铜的活动性最强，容易生锈；银的活动性次之；金的化学性质最稳定。从自然界的储量来看，银是金的10倍左右，铜是银的几百倍，自然而然，三种货币的价值与储量成反比。
在原子的世界中，原子序数（代表原子核中的质子个数）越大，则稳定性越差。金的原子序数为79，非常接近原子稳定极限序数82。而且奇数原子序数的元素稳定性低于偶数原子序数元素，因而金属类奇数原子序数的物质数量很少，这是导致黄金稀有的根本原因。
差不多世界上所有民族对黄金的喜爱程度都远远高于银白色的金属。最明显的例子就是比黄金更稀少、价格更昂贵的金属——铂。铂在人类历史上的记录很少，也许是因为铂的熔点更高、加工难度更大。那些为了黄金侵略中南美洲地区的西班牙人，居然将铂当成黄金冶炼的杂质而直接丢弃。直到进入20世纪，卡地亚公司才第一次推出铂首饰，铂才终于成功跻身贵金属的行列。
历史上曾经发生过无数次围绕黄金所有权的争夺战。西班牙的皮萨罗征服印加帝国就是为了控制南美洲丰富的黄金资源。活捉印加国王阿塔瓦尔帕之后，皮萨罗勒索了能装满一个房间的金银为赎金，而这笔赎金的价值巨大，以至于到了今天依旧位于吉尼斯世界纪录的榜首。 还有个能证明人类痴迷于黄金的例子是发生在美国加利福尼亚的淘金潮。1848年的一个早晨，在萨克拉门托河中发现的金沙成了淘金潮的导火索。消息如烈火般很快传遍全球，不仅仅是美国国内的淘金者，欧洲和亚洲的淘金者也远道而来，云集加利福尼亚，据说当时的淘金者人数超过了30万。 旧金山原本只是一个数百人的小村落，在短短数年间就摇身一变，成了美国当时首屈一指的大城市。李维·斯特劳斯发明的牛仔裤原本是作为淘金者的工作服，他后来创立了李维斯品牌；因为最早发行旅行支票而闻名于世的美国运通公司原本是给淘金者提供快递运输服务起家的企业，人类追求黄金的热忱在不经意间催生了多家世界级企业。
而另一些人则在尝试不流血、不流汗就可以获得黄金的方法，这种努力从古到今就未曾停止过，这就是企图以铁或铅等廉价金属制作出黄金的“炼金术”。从最早的文献记载可知，古希腊时代就已经有人开始挑战这项不可能完成的任务。无论是古印度，还是古代中国，只要有人类文明存在的地方，就有前赴后继试图通过炼金术获得黄金的挑战者。 西方炼金术士梦寐以求的是创造一种叫作“贤者之石”的物质，用今天的观点来看，他们追寻的就是所谓的催化剂。据说，贤者之石除了具有将廉价金属转化成黄金的奇效之外，还具有让人长生不老、青春永驻的功能
对于现代化学来说，在烧瓶内实现元素转变无异于天方夜谭。可以说，几千年来人们在炼金术上期望获得的成果完全是空中楼阁。但是在研究炼金术的过程中，人们发现了硝酸、硫酸、磷酸等各种化学物质，完善了蒸馏、萃取等化学实验的基本技术。从这个意义上来看，炼金术是现代化学之母
经过漫长的发展，人类的化学知识终于为黄金开发出了新用途。因为金能够加工成极其细长且导电性优良的细丝，利用这一点，黄金化身为半导体电极和连接芯片的导线。因为在手机等高端设备的集成电路中，必须在有限的空间里构筑一个高集成度的电路网，这一角色非黄金莫属。 威廉·道格拉斯的作品《炼金术士》据说，平均一部智能手机中至少使用了30毫克的黄金，而2020年全世界的智能手机产量约12.4亿部，由此可以推算出大约价值137亿元人民币的黄金装进了手机用户们的口袋里
2—陶瓷
- 陶瓷最突出的特点是它的用途非常广泛。从无价之宝到砖块、瓷砖、瓦片等生活中的常见之物，处处都闪耀着陶瓷的身影。陶瓷可以说是少数伴随人类文明发展，数万年来一直支撑着人类文明进步的重要材料之一
据资料显示，目前世界上最古老的素陶发现于中国湖南省，距今约1.8万年。
加水揉制黏土，晾干后放入火中烧制，就可以变成坚硬、牢固的材料，所以说只要有了火，人类发明素陶是迟早的事情。至于人类何时开始使用火，目前有许多不同看法，但是至少可以追溯到20万年以前
揉制过的黏土经过曝晒干燥后具有一定的强度，可以制成泥砖，用这种泥砖搭建的房子在中东及北非等地颇为常见。但是，泥砖遇到水就会变软，只能在气候干燥的地区使用，在其他地区就无法使用了。仅仅经过曝晒制成的泥壶之类的容器，遇到水的时候也会变成一堆烂泥，所以无法应用于生活中。只有经过高温烧制之后，泥制器皿才会变成具有实用性的陶器。
为什么泥土器皿经过高温烧制之后就会变成高强度、不怕水的陶器呢？简而言之，在高温环境下，黏土内部发生了化学反应，原子之间相互联结形成了新的分子。 黏土内部充满了各种矿物质的细小结晶，这些细小结晶内部包含着黏土的单个粒子，主要成分是硅和铝等携带正电的原子，与携带负电的氧原子相互交错，形成类似脚手架般牢固的网状结构。 但是，结晶与结晶表面的原子并未相互联结，它们在遇到水分子的时候就会与其中的氢原子结合。不规则的小晶体也会与附近的原子组成不稳定的结合体，好像生怕落了单似的。这些表面原子仿佛一直在等待时机寻找合适的原子，随时与之形成和晶体内部结构相似的构造。 高温烧制就相当于“撮合”这些孤立的表面原子，高温使原子活动更加频繁，促使原子反复与周边原子结合。原本在水与揉制的作用下形成的黏土，内部的细小结晶相互之间紧密排列。而高温提高了表面原子的振动频率，形成小结晶之间的原子共价键，从而使整体结构更加牢固，这就是陶器的强度远超黏土的秘密。
不过，这种大规模的制陶行为也必然伴随着弊端。据说，为了烧制建筑材料和制作泥砖，美索不达米亚地区的树林遭到大规模砍伐，这是导致当地沙漠化的重要原因之一。 古代中国在建设万里长城时也需要大量的城砖，因而导致森林遭到大规模砍伐。在明朝永乐帝时代，中国的首都迁移到了靠近游牧民族活动地区的北京，不得不加强长城的建设，这导致广大森林被采伐。据推测，黄土高原的森林覆盖率曾高达50%，到了近代只有5%，给生态环境带来了巨大的压力。
素陶虽然远比干燥的泥土坚硬，但是由于内部的原子之间的共价键并不十分牢固，强度远远赶不上岩石。一旦遭到外力撞击，烧制建立起来的共价键发生断裂，素陶会随着一声脆响化作碎片，这种易碎性可以说是陶器的重大缺点。 素陶还有一个缺点，它的表面分布着无数细微的小孔，水分和空气可以自由通过这些小孔。今天，许多家庭还在使用素陶花盆，原因就是水分和空气能从花盆的侧壁进入泥土中，与植物的根系接触，从而防止出现烂根的情况。虽然由于素陶具有这种特性而适合制作花盆，但是如果将素陶用于制作茶杯、水壶则会出现问题。
瓷釉是弥补这个缺陷的最好材料。在黏土表面涂上一层特殊的矿石粉末或灰浆后再进行烧制，陶器表面会形成琉璃质薄层，从而堵住细孔，增强整体强度和防水性。而且，晶莹的琉璃层会在陶器表面产生流光溢彩的效果，为陶器的器物之美平添神韵。
燃烧木材产生的灰烬中含有钾盐等碱性物质。这些碱性物质可以在高温下渗入硅氧结合体中，临时切断共价键，使氧化硅更容易熔化，最终冷却时就会产生琉璃层。也许，人类正是通过这种木灰类“自然瓷釉”才在偶然间领悟了瓷釉的妙处。中国早在商朝（公元前17世纪至公元前11世纪）时就已经使用瓷釉，并在西汉晚期开发出了以氧化铅为主的矿物质瓷釉，带有鲜绿色的铅釉陶器就此问世。
笔者在访谈一位陶艺家时曾经听到这样的观点：简而言之，陶瓷的发展史其实就是白瓷的发展史。因为白色的容器更能衬托出食物本身的颜色，令食物色彩鲜明，让人更有食欲。正如自古以来美容师们将保养出洁白、光滑的肌肤当作目标一般，陶艺家们也将制作出纯白而鲜亮的白瓷当作毕生的追求。
今天的我们已经对白瓷司空见惯，其中大部分不属于陶器而被称为瓷器。陶器指的是以黏土为主要原料，在800～1 250℃条件下烧制的器物。刚出窑的陶器不透光，整体呈浅褐色，厚度较大、易破碎，被敲击时发出闷响，比较有代表性的陶器就是我们平时使用的厚壁茶杯和砂锅。 与陶器不同，瓷器颜色洁白、表面光滑、硬度极高，敲击时发出金属般的清脆之声，隐约透明却具有良好的防水性，表面几乎没有凹凸不平的部分而易于清洗，所以看起来很洁净，非常适合作为餐饮器具。
提到瓷器与陶器在制作中的不同点，主要有原料和烧制温度两个方面。将石英或长石、高岭石反复多次碾成粉末，加水揉制成型之后经过几次低温预烧制，最后用约1 300℃的高温进行烧制。最终，器物表面的瓷釉彻底熔化、渗透进器物，从而形成光滑而艳丽的瓷器
得到纯色白瓷的关键在于，黏土不得含具有显色功能的重金属离子。在天然矿物质中存在大量具有显色功能的各种金属离子。例如，即使是相同的刚玉矿石中，如果含有微量的铬就会使瓷器带有类似红宝石的红色；如果含有铁或钛就会使瓷器带有类似蓝宝石的颜色。无论是陶器还是瓷器，基本上由陶土或瓷釉所含有的金属离子决定了器物的颜色。
到了中国的东汉，著名的青瓷诞生了。由于原料中含有微量的铁，导致器物呈现出美丽的青绿色。到了公元6世纪后期，也就是中国的隋朝，完全不含铁的高岭土进入人们的视野，纯色白瓷终于可以大批量生产。后来的历史证明，纯色白瓷是非常伟大的发明。
经过唐、五代、宋，白瓷的制作技术获得了长足的发展，尤其是在极为注重文化艺术的北宋时期，政府甚至指定了官窑专门生产供宫廷使用的瓷器。当时，景德镇作为世界陶瓷文化的中心而繁荣一时。喜好艺术的清朝乾隆皇帝曾经留下“赵宋官窑晨星看”的诗句，将那个时代的官窑瓷视若珍宝。 北宋时期规模最大的民用瓷器烧制窑是磁州窑，而且“瓷器”一词也源自“磁州”。由于是民窑，那里生产的瓷器在装饰性上远超景德镇生产的瓷器，在瓷器绘画的装饰技法上也更为创新。
萨克森“强力王”腓特烈·奥古斯特二世（1670—1733）是痴迷东方瓷器的名人之一。据说他是一位能徒手拗弯蹄铁的大力士，拥有无数情人和360名后代，真可以说是一位精力超群的领主。他对艺术有着异乎寻常的执着，花费了10万塔里尔（相当于今天的6 000万元人民币）的巨资疯狂购买瓷器。 1701年，一个名叫约翰·弗雷德里希·伯特格尔（1682—1719）的人投奔奥古斯特二世， 1705年转而尝试研究制作瓷器。经过多次试验，在1709年终于通过瓷釉烧制出了光滑而艳丽的瓷器。这个瞬间也是东方的至宝——瓷器第一次在欧洲大地上烧制成功。为了研制瓷器，奥古斯特二世先后投入了巨额的研究经费。 伯特格尔在麦森建立了工厂，并开始量产瓷器，这也是麦森瓷器迈出的第一步。到了今天，麦森瓷器依旧是欧洲瓷器的第一品牌。那里诞生了无数东方的技术与西方的美学完美结合之作，麦森的瓷器受到世人的热捧
从最开始的用普通黏土烧制的素陶，到精选颗粒均匀的黏土烧制的优质陶器，最终发展出了使用高岭土等矿物质性黏土烧制的瓷器。一言概之，陶瓷发展史的主线就是加强对原料的精选、控制好烧制温度，从而获得更艳丽、更坚硬的产品。
在现代化学技术的助力之下，除了能精炼出纯度无限接近100%的原料之外，还能精确控制材料的粒径、烧制的温度。在这些前提条件之下，性能远超普通陶瓷的新产品——新型陶瓷得以问世。 这种凭借高科技所生产的陶瓷，彻底抛弃了风格之类的艺术领域的一切元素，单纯追求材料的性能，最终成了彻底颠覆传统陶瓷范畴的全新材料。其中就有牙科医疗填充材料，一些高强度材料甚至能制作锐利的陶瓷刀具。由于新型陶瓷具有优良的耐热性，航天飞机及大型电子加速器上都少不了它的身影
新型陶瓷具备这些特殊性能的关键在于分子结构具有极高的均一性。搭积木的时候大家都有过这样的经验，如果中间少了一块积木或者积木表面不平整，当垒到一定高度或超出一定负荷时，就会从有缺陷的地方开始崩塌，导致整个积木搭建的结构全部垮掉。与此同理，多种元素混杂而成的黏土在烧制之后，必然隐藏着众多结构上的缺陷，而新型陶瓷采用高纯度原料烧制而成，并且通过严格控制烧制温度，大幅减少了分子结构上的缺陷。
- 现在，有100多种材料能用于陶瓷制作，不同的材料按不同的配比，再加上不同的烧制温度，事实上可以制作无数种新型陶瓷材料。陪伴人类走过一万多年的陶瓷在今天依旧蕴藏着无限的潜能。
3—胶原蛋白
- 人类并非热爱旅行，在多数情况下是由于其他原因不得不背井离乡，迁徙到异地的。最有力的证据就是，印第安人基本上是O型血这个事实。印第安人的祖先通过白令海峡的陆地桥，从亚洲踏上了美洲的土地。历史学家认为，在这艰苦的行程当中， A型血和B型血的人逐步灭亡，从而造成了今天印第安人中O型血一统天下的结果。
- 历史上，严寒所导致的饥荒曾经多次给人类带来毁灭性打击，最有力的证据就是，虽然今天地球人口众多，但全人类遗传基因的相似度极高，令人惊异。历经数百万年，今天地球人口已经超过70亿，按常识考虑，人类遗传基因的差异性应该很大。 关于其中的原因，有人提出了这样一种理论：距今约75 000年，印度尼西亚的多巴火山发生了史无前例的大规模喷发，喷涌而出的熔岩量约是1980年圣·海伦火山喷发的3 000倍。遮天蔽日的火山灰使得地球经历了数千年的极寒气候。那时的人类为了追寻少得可怜的食物和阳光，不得不四处迁徙。 在这严酷的环境下，整个地球能够存活下来的只剩下数千人，也就是现代人类的祖先，这一假说充分解释了前文提到的现代人遗传基因高度相似性这一异常现象，反过来也说明，很可能人类真的曾经身处灭绝边缘。
- 获得皮毛需要切开动物坚韧的皮肤，将多余的肌肉和脂肪刮除干净。以此获取的生皮无法直接使用，还必须经过鞣制加工才能成为皮革。 从鞣制的“鞣”可以推测，这道工序的关键在于设法将皮革变得更加柔软。去除易于腐烂的动物脂肪和多余的蛋白质组织，经过鞣制加工，促使皮革内部的胶原蛋白分子建立联结，使皮革更加柔软的同时大幅提高了皮革的韧性。原始人的做法是用牙齿反复噬咬生皮，利用自身的唾液实现鞣制的效果。后来，人类发现柿子中的苦涩成分，也就是单宁酸（又称为鞣酸）也有类似的效果。到了今天，鞣制皮革主要利用铬盐等化学药剂，比传统的方法效率更高。
- 关于衣服的起源问题，也有与前文提到的多巴火山爆发相关的理论。通过分析人体寄生虱的遗传基因发现，大约在7万年前，寄生于头部的头虱与寄生于身体的衣虱才正式分化成两个亚种。也就是说，人类为了适应多巴火山爆发造成的严寒才发明了衣服，这个思路与前文的理论相呼应。无数物种在严寒的打击下灭绝，而人类依凭最可信赖的帮手——衣服才存留到了今天。
- 皮制品依旧深受众人追捧，关键原因在于皮革的主要成分胶原蛋白所具有的特殊性质。 提到胶原蛋白，大家脑海里往往想到的是和美容、护肤相关的产品。事实上，胶原蛋白也是人体的重要蛋白质之一，主要作用是填补细胞之间的空隙，形成牢固的黏合结构。 其实，胶原蛋白也是骨骼不可或缺的成分。胶原蛋白搭建出骨骼的主体框架，磷酸钙结晶填满中间的空隙，形成类似钢筋混凝土的牢固结构。因此可以说，支撑我们的身体、维持我们体形的就是胶原蛋白。因此，胶原蛋白约占我们身体蛋白质总量的三分之一。 但是，人体中所含的绝大部分胶原蛋白都是蛋白质大家庭里的“异类”。一般来说，氨基酸分子依照一定的规律互相组合，形成长长的分子链就是蛋白质。当然，这个分子链并非只是像意大利通心粉似的条状物，而是按照一定的规律折叠成球形。唯有折叠成球形的蛋白质才具有转化人体所需的化学物质、传递各种信息的功能。 胶原蛋白是三条分子链互相缠绕形成细长的三重螺旋结构的纤维组织。其他蛋白质主要活跃于体细胞内部，唯独胶原蛋白独立存在于细胞外部。
- 更奇妙的是，胶原蛋白拥有其他蛋白质中罕见的、具有特殊性质的氨基酸成分。例如，组成胶原蛋白的羟基脯氨酸和羟基赖氨酸比脯氨酸和赖氨酸分别多了一个羟基（由氢氧结合而成的原子团）。20种氨基酸按不同的排列组合方式构成了数万种令人惊异的多姿多彩、性能相异的蛋白质，而以羟基脯氨酸和羟基赖氨酸为原料的胶原蛋白是唯一一类打破常规的蛋白质。 当然，打破常规并非没有收获，这个多出来的羟基肩负着极其重要的职责。前文提到，胶原蛋白具有三条分子链相互缠绕的三重螺旋结构，羟基脯氨酸上多出来的羟基可以和相邻分子链上的氢原子形成难以打开的“氢键”，从而紧紧固定住三条分子链。
- 一旦这个连接键出现异常情况，人体就会遇到大麻烦。当身体严重缺乏维生素C时，羟基的附着能力就会变弱，从而导致氢键解体。这样一来，胶原蛋白被破坏，人体全身的血管开始发脆，这就是令人色变的坏血病。虽然对今天的人来说，坏血病是一种不常见的疾病，但是在大航海时代，坏血病曾经是著名的“船员杀手”。一旦人体缺乏维生素C，即使是微小的伤口都会严重影响人体的生理机能。
- 胶原蛋白所蕴藏的秘密不仅仅是这些。最近的研究发现，在胶原蛋白的三重螺旋结构之中还存在特殊的搭桥结构，而这种结构在其他蛋白质中极为罕见。在多种连接键的作用下，胶原蛋白形成立体网状结构，组成了极为牢固的框架。 不过，随着搭桥结构的增加，虽然提高了牢固性，但是也会使柔韧性相应降低。研究表明，随着我们年龄的增长，皮肤中胶原蛋白的搭桥结构也会增加。随着时光流逝，我们皮肤的弹性会越来越差，直至出现千沟万壑般的褶皱，其中的原因之一就是胶原蛋白内部搭桥结构数量过多。虽然对青春与美貌来说，搭桥结构令人痛恨不已，但是考虑到正是因为它才催生了胶原蛋白纤维，皮衣才变得结实而温暖，我们只能在叹息之余接受它的存在。
- 当弓矢成为人类社会的必备之物后，为了获得射程更远、命中率更高的弓，人类开始对其加以改良。原本弓的主要材料是木材，这类弓在弹性与刚性上缺乏优势，人类创造性地在木材内侧辅以动物骨骼或者用筋腱缠绕弓体，从而发明了复合弓。复合弓小巧轻便，易于乘马操控，是骑兵的利器。蒙古帝国之所以能席卷全世界，复合弓发挥了无可比拟的作用。
- 制作强劲的弓必须将具有高弹性的骨材和筋腱贴合于弓脊上，黏合剂就成了关键，而古人经常使用的便是黏胶。 前文提到，胶原蛋白是三重螺旋结构，在水中加热时连接键就会打开，锁住大量水分后冷却成块状物，这就是明胶。明胶也是啫喱、肉皮冻和羊羹等美食的主要材料。 黏胶的主要成分是明胶，在英语中拼贴画（collage）和胶原蛋白（collagen）的词源都是“胶”的意思，日语直接将其翻译成“胶原”。 归根结底，骨骼、筋腱都富含胶原蛋白，黏胶的主要成分也是胶原蛋白。换句话说，复合弓其实就是用胶原蛋白把其他类型的胶原蛋白粘贴到弓脊上制作而成的武器。优异的材料蕴含的不同特性成功增强了人类的力量，复合弓就是其中最具代表性的例子。
- 由于胶原蛋白与生命体具有良好的亲和性，所以胶原蛋白在医疗及生化领域中的用途非常广泛，尤其是在化妆品及医药添加物方面，胶原蛋白的运用早已成为常识。 此外，在外科手术中使用由胶原蛋白制作的丝线缝合伤口，随着人体的自我恢复会被逐步吸收，从而免除拆线这一步骤。基于同一原理，不仅在美容整容行业中采用胶原蛋白注射的疗法，而且在隐形眼镜制造和牙周炎治疗中也都要用到胶原蛋白。
4—铁
- 那么，铁是如何登上材料之王的宝座的呢？这不仅仅因为铁具有硬而韧的特性。其实，纯粹的铁是银白色的柔软金属，在后文中会详细介绍，铁与其他元素形成合金之后，性质会出现巨大的改变，但硬度依旧远逊于钨合金之类的材料。
- 与金、银、铜及铅相比，铁更容易被氧化而出现性能劣化的现象。作为一种材料来说，铁的这个特征是一个巨大的缺陷。
- 而且，铁的加工难度也比较大，高达1 535℃的熔点，导致炼铁必须使用鼓风机持续送入新鲜空气才能保证铁水的温度，这就需要高超的技术才能得以实现。有历史学家认为，世界各地的古代文明中，青铜器时代先于铁器时代的原因在于，青铜的熔点一般不超过950℃，比铁器更容易炼制。
- 那么，铁到底有什么优点呢？答案是：地壳的铁元素含量较高。地壳丰度指的是地球表面元素含量百分比排序，铁元素以其4.7%的比例雄踞第四位，在金属当中仅次于铝。但是，铝因为具有极强的氧化性导致精炼难度极高，所以作为材料的利用历史远远短于铁
- 其实地球内部的内核与外核还有极其丰富的铁，如果按地球整体质量计算，铁元素的含量高达32.1%！由于铁元素的比重大，在地球诞生初期，大部分处于熔融状态的铁元素沉入地球内部，留在地表的是极少的部分。即便这样，这极少量的铁元素也在地壳元素丰度表内位列第四，可见地球所含有的铁元素是何等丰富！真可以说，我们就居住在主要由铁元素构成的行星上。
- 著名的科普作家卡琳·菲茨杰拉德在《铁的传奇》一书中提到过一个观点：民主主义之所以能实现，关键在于这个世界中铁元素无处不在。制造青铜的原料矿石极为罕见，容易被少数统治阶级垄断。但是铁矿石分布非常广泛，只要掌握炼制的技术，社会大众都能获得铁。因此，掌权者无法垄断强大的铁制武器，民众的力量得以强化。
- 改变人类历史的材料大体可分为两类：一类是所有人都想占有的稀缺性材料，另外一类是能大量生产、廉价销售的材料。第一章介绍的黄金属于前者，而铁则是后者的代表性元素。
- 现在问题来了，为什么地球上铁元素的含量雄踞金属类元素的首位呢？这个问题的答案涉及核物理学领域的知识。 不同种元素互相组合就可以形成新的物质，为了获得有用的物质，生物学家和化学家们日夜操劳，各自进行元素组合尝试——化学反应。但是，单凭化学反应，烧瓶里不会出现原料中没有的元素，也不可能凭空产生全新的元素。第一章阐述过炼金术士们历经数千年的奋斗，连一粒金沙都没“炼”出来。 我们的身体也是由各种元素构成的，这些碳、氧、铁等物质到底是从哪里来的呢？答案就存在于宇宙的星空之中。类似太阳之类的恒星内部温度超过1 000万℃，在这种超高温的环境下，原子核之间相互融合，从而产生了全新的元素。现在，我们的太阳正处在将氢原子融合成更大粒子的过程中。 在巨型的老龄恒星内部，正进行着将质量更大的元素融合成重元素的步骤。不过，元素的质量并非无限增大，超过一定质量之后元素的原子核处于不稳定状态，导致新元素的产生陷于停顿状态。这条分界线就是铁元素，26个质子和30个中子组成的铁原子核是元素中最稳定的结构之一，小于铁或大于铁的原子核均不稳定。这就是地球上铁元素含量远远高于其他金属类元素的最大原因。
- 比铁元素更重的元素是怎样产生的呢？关于这一点，过去的学术观点认为，当巨型恒星到了生命的最后时刻就会发生大爆炸，也就是在超新星爆炸时会产生大量比铁元素重的元素。近年的研究成果认为，像中子星这样的高密度星体发生碰撞、融合之际会产生比铁元素更重的物质。也就是说，今天地球上的金、银以及我们体内的锌、碘等重要元素，均来自远古的星尘。
- 据说，宇宙诞生到现在历经了约138亿年，整个宇宙中氢元素占93%以上，加上排名第二的氦元素，总体占宇宙元素的99.8%。不过，在未来历经漫长的数百亿、数千亿年之后，铁元素的比重会越来越大。有些科学家认为，如同百川入海一般，所有元素的最终归宿就是铁。当然，早在那一天来临之前，宇宙中的一切生命体就已经悄然消失，最终宇宙会变成一个无人守望的冷寂空间。
- 铁合金中最重要的材料就是钢，所谓钢其实就是含有0.02%～2%碳的铁。由于碳的存在，铁获得了令人惊异的硬度与韧度，经过锻造延展后，可以变成锋利的武器。
- 前文提到，赫梯人于公元前15世纪就率先使用了铁制武器，这个说法也不尽正确。在此之前，世界各地已经有了利用陨铁材料锻造刀剑的记录，而且加热、精炼铁矿石能获得海绵铁，利用海绵铁制作各种工具的技术已经极为普遍。但海绵铁过于柔软，无法直接用于制作武器或建材。 赫梯人却有了重大技术发现：在木炭中加热海绵铁，就能获得坚韧的钢。 话虽简单，但是仅仅在木炭中加热铁并不能获得钢。正如前文所述，熔化铁需要极高的温度，这就需要不停地输送氧气维持高温火焰持续燃烧。而且当碳含量超过一定范围之后，铁反而发生脆化，稍有外力就会断裂。赫梯人率先开发出了维持炼钢条件的新技术。 在钢制武器的助力之下，风头一时无两的赫梯人征服了小亚细亚，并且一度攻入今天的叙利亚和埃及地区。可以说，当人类掌握了炼钢技术的那一刻，世界文明就进入了一个全新的发展阶段。
- 为了提高铁的耐锈蚀性，人们发明了金属镀层法。比较著名的制品包括：在钢板表面镀锡成为马口铁、镀锌成为白铁，用烧灼法形成琉璃质镀层叫珐琅。不过，一旦这些镀层出现破损，锈蚀就会从破损处开始蔓延。
- 不锈钢的诞生应该算是让人类终于圆满实现了3 500年来的“不生锈的铁”这个梦想。不锈钢的发现完全出于偶然，1912年，英国人亨利·布雷尔利（1871—1948）在钢企任职，负责开发不易磨损的合金钢。他试制了一种铬含量20%的钢，不料这种钢样品的加工难度极大。布雷尔利将其作为失败产品丢在了脑后。几个月后，他再次想起这些样品，发现这些样品表面丝毫没有生锈的痕迹。后续经过反复研究，加工的难题终于被克服了，不锈钢就此问世。
- 严格来说，不锈钢并非不生锈，而是表面的铬被氧化后形成一层薄膜屏障，将氧元素阻隔在外，防止内部的分子进一步被氧化。
5—纸
- 植物纤维如此坚韧，其中的奥妙在于纤维素与木质素这两种物质。比对人体物质，前者相当于骨骼，后者相当于肌肉。植物之所以能欣欣向荣，占据了我们这个星球的大部分陆地表面，这两种物质的组合发挥了无可比拟的作用。例如，纤维素占树木整体重量的40%～50%。纤维素也是地球上最重的有机物，据说全球的植物每年合成的纤维素重量为1 000亿吨！
- 木材的主要成分就是纤维素，远古时代的人类就已经懂得利用木材建造房屋和取暖。纤维素含量几乎为100%的麻和木棉，是织造衣物的重要材料。膳食纤维中的主要成分纤维素，也是非常好的药物载体。
- 不过，大家最熟悉的纤维素产品应该非纸张莫属了。纸张的作用不仅限于书、笔记本等信息记录媒介，还能成为纸拉门之类的建筑材料，纸板箱或包装纸等包装材料，纸杯、牛奶盒等容器，咖啡滤纸、尿不湿和面巾纸等各种日用品，现代人的生活每天都离不开纸做成的产品。假如有人问什么是人类历史上最伟大的发明，答案仁者见仁，智者见智，而纸张绝对能成为最有实力的竞争者之一。
- 蔡伦不可磨灭的贡献在于，以身边的廉价材料或废弃物为原料，大幅降低了纸的生产成本。而且他制作的纸既薄且韧，质量远远高于其他品种的纸。真可以说，蔡伦改进的造纸术是具有划时代意义的创新成果。 那么，蔡伦纸的生产工艺又是怎样的呢？首先，仔细清洗麻布头，然后加草木灰，将其反复煮开。站在现代科学知识的角度分析，这就是加热碱性溶液分解杂质，提取高纯度纤维素。然后，将浸泡过的原料捞起，放在石臼内彻底捣碎，再加水稀释，得到纸浆。再用绷着细网的木框将纸浆晾干，彻底干燥之后，最终的成品就是纸。这种制作方法已经传承了近2 000年，与现代的造纸工艺别无二致。从这一点来看，虽然在蔡伦之前已经有了类似纸的实物，但蔡伦才是对造纸术做出最大贡献的人。
- 为什么纸非常薄却极具韧性呢？让我们在分子的层面上观察一下纤维素的结构。在纤维素内部可以看到葡萄糖分子排成长列，也就是说纤维素就是一条葡萄糖分子链。光合作用的产物就是葡萄糖，植物将葡萄糖分子直接转化为纤维素，这真可以说是种就地取材的高效抉择。 葡萄糖分子携带多个羟基，纤维素内部存在成千上万的氢原子和氧原子，与羟基中的氢氧原子相互吸引形成氢键。和原子之间的共价键相比，氢键的牢固程度只有共价键的10%左右，但是纤维素内的氢键数量庞大，聚沙成塔形成了令人不可小觑的力量。 这种氢键不仅仅存在于处于同一条分子链的葡萄糖分子之间，甚至不同分子链之间的氢氧分子也会相互吸引结合成氢键，最终形成极为坚韧的纤维。纤维素纤维之间的分子排布紧密，异类分子或酶分子很难渗透进内部，所以即使历经长时间的考验依旧能保持原形。几百上千年前雕刻的木制佛像，在今天依旧完好如初，接受信众们的朝拜，其中的奥秘就是纤维素纤维的力量。
- 葡萄糖分子链所形成的化合物不仅限于纤维素，还有直链淀粉——就是通常被称为淀粉的物质——也是葡萄糖分子的长链。如果从二维角度观察，纤维素与淀粉几乎一模一样，但是两者的性质却天差地别。以纤维素为主要成分的纸和棉花无法食用，而以淀粉为主要成分的米饭自然不能当衣服穿，更不能用来写字。 纤维素与淀粉的差异唯有一点，那就是葡萄糖分子的联结方式。纤维素中的葡萄糖排列呈直线状，而淀粉中的葡萄糖排列呈螺旋状。
- 拥有直线结构葡萄糖分子链的纤维素易于排列成束，从而形成致密的纤维。与此相反，拥有螺旋结构的淀粉在干燥的时候还能保持一定的强度，可是一旦水分子渗入内部，淀粉的螺旋结构开始解旋，使其他分子更加容易进入淀粉内部，这就是生米和米饭的差异所在。
- 在人体内完成解旋之后，淀粉在多种酶的作用下被轻易地分解成单个葡萄糖。换句话说，淀粉所具有的特性使它成为一种易于保存的能量物质。因此，在许多种子以及薯类块根中，都以淀粉的形式将能量储存起来。 植物利用光合作用合成大量葡萄糖，再利用葡萄糖合成结实而柔韧的优秀的材料——纤维素，也为了生命的延续而合成优秀的储能物质——淀粉。自然的机理如此玄妙，令人赞叹不已。
- 隋文帝（541—604）是科举制度的开创者。科举制度一直持续到20世纪初。无数著名的政治家就是通过科举考试才有了步入政坛的机会，最终也凭一己之力推动了历史的前行。假如没有笔和纸张，如此大规模的人才选拔制度根本无法实施。
- 公元751年，唐朝的军队与阿拉伯帝国阿拔斯王朝的军队在今天的哈萨克斯坦塔拉兹爆发激战，也就是历史上著名的“怛罗斯之战”。据史料记载，此次战役唐军损失惨重，有不少人成了俘虏。 这次战役给后世带来极大的影响，原因并非战役本身，而是唐军俘虏中有具备造纸技术的工匠们。 阿拔斯王朝甫一接触纸张就领悟到了纸张的重要性与便利性，开始四处寻找能成为造纸材料的植物，并对造纸术加以改善。公元794年，阿拔斯王朝在首都巴格达建成一家造纸作坊，为所有的行政文件及公用文书提供纸张。 不久后，造纸术又流传到了欧洲。据说一位名叫让·蒙戈菲尔的战俘曾经在大马士革的造纸作坊中当过苦役。他于1157年回到家乡后开创了造纸事业。完成人类首次热气球飞行壮举的约瑟夫·蒙戈菲尔（1740—1810）和雅克·蒙戈菲尔（1745—1799）就是他的子孙，而热气球的内衬用的就是家传手艺生产的纸张。蒙戈菲尔家族的造纸企业曾经为毕加索和夏加尔等画家提供画作纸张，后来公司几经改名延续至今。
- 再看造纸术传播到其他国家和地区的时间，1056年传入西班牙，1235年传入意大利，1391年传入德国，1494年传入英国，1586年传入荷兰，造纸术登陆北美洲则要等到1690年（以上年份尚有不同观点），传播的速度之慢令人感到意外。其最大的原因在于，欧洲地区几乎找不到适合造纸的植物。纸张的原料一般为亚麻布布头，随着用纸的需求不断增长，造纸原料的价格也水涨船高，英国甚至在1666年制定了禁止用亚麻布包裹尸体的法令。欧洲真正实现纸张大规模生产是在19世纪中叶德国人弗雷德里克·G. 凯勒（1816—1895）开发出从木材提取纸浆的技术之后了。 东方的书法与水墨画，正是依托纸张达到了极高的艺术境界。与之相对，西方在雕刻等领域取得了很高的艺术成就，在绘画方面也以壁画及油画等类型为主。笔者饶有兴致地设想，如果欧洲人早早拥有坚韧顺滑的纸张，也许世界美术史会发生天翻地覆的变化。
- 15世纪中叶，原本与纸无缘的欧洲对纸张的需求出现了爆炸式的增长，主要原因就是印刷术在欧洲普及。印刷术的伟大之处在于，用远超人工抄写的速度大规模复制同一信息，是一种打破世界原有格局的新技术
- 但是真正超越前人在历史上留下盛名的是研发世界上第一台印刷机的约翰·古腾堡（1398—1468）。1450年，约翰·古腾堡以葡萄榨汁基础改造出的印刷机成了他开创印刷业的起点。后来，他又成功开发了铅活字与油性墨水的量产技术，一手促成了印刷产业大发展，以此卓越的功绩被推崇为“现代印刷术鼻祖”。约翰·古腾堡的贡献使得当时的书籍价格下降超过90%，更重要的是印刷术杜绝了人工抄写的错误，确保了信息传播的精确性，对人类文明发展的贡献不可估量。
- 古腾堡印刷术曾经制作过一个臭名远扬的产品，那就是尽人皆知的“免罪符”。人们通过向教会支付一定的金钱购买“免罪符”，即可获得神的“赦免”。这种卑鄙的做法令世人深切体会到了教会的堕落，其中就包括著名的马丁·路德（1483—1546）。 1517年，马丁·路德针对“免罪符”的弊端提出了《九十五条论纲》，利用印刷术技术四处传播。仅仅用了两周就遍布德国全境，才一个月就传遍了整个基督教世界。印刷术诞生之后的世界，信息传播速度发生了翻天覆地的变化。人们的怒火转眼间就变成了席卷欧洲的宗教改革狂潮，导致天主教与新教分道扬镳。这些大量生产出来的薄薄的纸片，确实推动了历史变革的大潮。
- 纸张与印刷术引发的知识普及浪潮，成为推动整个欧洲科学技术普及的巨大力量。反观伊斯兰世界，印刷术居然无法普及，甚至还遭到抵制与迫害。奥斯曼帝国巴耶塞特二世（1447—1512）和塞利姆一世（1467—1520）当政期间甚至发布过禁止印刷一切阿拉伯文和土耳其文的法令，而这条法令一直在奥斯曼帝国的领土上持续了300年。 这么做的原因在于，当时的伊斯兰世界普遍认为书写能力是上天的恩赐，抄写《古兰经》是无与伦比的荣耀，而且文字书写与东方的书法一样，属于艺术领域的行为。如果使用机器完成这一神圣的艺术工作，那就是亵渎神灵的堕落行为。 在8世纪到13世纪，伊斯兰世界的科学技术水准名列世界前茅，而以欧洲的文艺复兴为分水岭，此后的伊斯兰世界在科学技术方面逐渐落后于欧洲。一些观点认为，伊斯兰世界拒绝印刷术，导致知识普及缓慢是其科学技术发展缓慢的最大原因。
- 其中最引人注目的便是纳米纤维纸。纳米纤维纸就是将来自植物的纤维裂解成数十纳米长的纤维，再进行固化得到透明的纸张。普通纸张中，纤维之间包含空气，导致光线出现散射而呈现白色；纳米纤维纸的纤维排列紧密，不存在空气渗入的间隙，光线能直接透过纸张。 这种纳米纤维纸与塑料混合而成的新材料，重量仅为钢铁的五分之一，强度却高达钢铁的五倍！调整塑料成分后，其还能被制成新型的“导电纸”。纳米纤维目前最大的问题是成本居高不下，唯有找到解决之策，实现低成本、轻量化才能广泛应用。如果纳米纤维能替代目前风头正盛的碳纤维应用于航空、汽车产业，必然可以大幅降低燃油消耗量，削减碳排放量。迈入纳米技术时代之后，“纸”已经化身为一种高强度、高品质的超级材料。
6—碳酸钙
- 为什么地球上有如此之多的碳酸钙呢？其实，产生碳酸钙的原料之一就是空气中的二氧化碳。它易溶于水，因此在海洋中形成大量的碳酸，遇到海水中丰富的钙离子时，就会形成不溶于水的碳酸钙。 在漫长的岁月中，地球上巨量的二氧化碳以石灰岩的形式被“固定”于地表，这对地球来说是决定未来的分水岭。众所周知，二氧化碳是一种高效的温室气体。在它的作用下，阳光带来的热量被封闭在大气层之内，最终会导致地球的环境温度上升到可怕的程度。诞生初期的地球被巨量的二氧化碳重重包裹，炽热的温度足以导致海水蒸发殆尽。但是，海底火山喷发出大量的钙，与溶于海水的二氧化碳通过化学反应结合并沉淀于海底。这样一来，大气中的二氧化碳含量越来越低，地球的温度也逐渐变得适宜生命生存。 金星，可以称得上是地球的孪生兄弟。两者无论是直径还是质量都非常接近。有足够的证据表明，金星也曾经拥有过海洋，可惜就因为金星比地球更接近太阳，接收到的来自太阳的热量高于地球。结果，在金星大气层中的二氧化碳被彻底吸收完毕之前，金星表面的海洋就已蒸发殆尽。现在金星表面的大气压力是地球的90倍，其大气层几乎完全由二氧化碳构成。在可怕的温室效应作用之下，金星表面某些地方的环境温度高达400℃。 也许，一步小小的变化就会使地球变成炽热的“地狱行星”。今天的人类能够生活在宜居的温度环境中，更确切地说是所有生物能够繁衍生息，多亏储存了天量二氧化碳的碳酸钙。
- 碳酸钙最重要的用途是水泥原料。70%～80%的石灰岩与20%～30%的黏土、石英、氧化铁混合物混合，用球磨机彻底粉碎混合，经1 450℃高温煅烧之后，碳酸钙变为二氧化碳（CO2）与氧化钙（CaO），前述混合物烧结成块，再次彻底粉碎烧结块后，便得到水泥。水泥加水后静置一定时间后，钙离子与硅离子组成网状共价键结构，这就是水泥的硬化过程。为提高水泥硬化后的强度，可在加水搅拌时添加砂砾或细沙，最终获得硬度更高的混凝土。
- 据说，公元前753年在意大利半岛立国的古罗马人，突破重重险阻终于控制了地中海，并将古罗马文化发扬光大。无论是人种的体格还是所处的地理位置，古罗马人都不具有优势，但是他们在无数次战争中获胜，保护帝国屹立千年而不倒，真可谓世界历史中的奇迹。支撑起古罗马帝国的并非特殊之物，而是古罗马人在道路、水道、各种建筑物等社会基础设施建设方面的工程能力。 正如“条条大路通罗马”这句谚语所描述的，古罗马的交通极为发达，街道的总长约15万千米，几乎可以绕地球赤道四周。2 000年后的今天，我们依旧可以目睹古罗马时代的道路遗迹，甚至有部分古罗马道路成了今天的机动车道，其牢固程度令人咋舌。 一条标准的古罗马街道宽度至少为4米，容得下两辆马车相向而行，其两侧为3米宽的人行道。车道路基最大深度达2米，以三层碎石打底，最上面是厚重的石板并用水泥加固。古罗马人逢山开凿隧道、遇水架起桥梁，所有的路面均能通行大型投石机等军事设备。 多亏了这些发达的道路，古罗马时代的旅行者一天可以徒步行进25～30千米，而马车则可以行驶35～40千米。拥有了遍布全境的道路网，无论哪里发生战事，古罗马军团都能迅速奔赴战场。可以说，多亏了完美的道路，也多亏了坚硬的水泥，古罗马帝国依靠仅有30万人的军队就成功维系了广袤领土的国防。 当然，包括斗兽场与大浴场在内的各种建筑群落，以及各地区向首都输送洁净水源的水道，古罗马的基础设施均大量使用了水泥。假如没有水泥，古罗马很难取得如此辉煌的成就。
- 与铁的性质正好相反，混凝土虽然具有极强的抗压性，但是伸缩性很差，很容易发生龟裂。 大约在19世纪中叶，为了弥补混凝土的不足之处，采用钢筋构筑骨架再浇铸混凝土的新技术，也就是“钢筋混凝土”技术得以问世。这种技术不仅在特性上使得钢筋与混凝土实现了互补，在碱性混凝土的包覆下钢筋也可以避免遭受腐蚀，大幅提高了建筑物的寿命。今天都市中的大楼、桥梁等大多用钢筋混凝土构筑。可以说，人类受其恩惠之处不可胜数。
- 海洋生物死亡后，它们分泌的碳酸钙外壳会沉入海底累积起来。所以，当我们用高倍率电子显微镜观察粉笔灰就会发现一个令人惊叹不已的世界。粉笔灰表面上看起来平淡无奇，在高倍电子显微镜下就能看到，粉笔灰是由多个碟形物体组成的小球，具有三角形或星形等奇特结构，还包括各种各样复杂而怪异形状的小颗粒。这些都是白垩纪（约14 500万—6 600万年前）的浮游生物分泌出来的碳酸钙外壳堆积物。在地壳运动下，部分堆积物形成地层裸露于地表。“白垩”的本义就是石灰岩，多亏了1亿年前的小生物们，当今时代我们才拥有了取之不尽用之不竭、唾手可得的碳酸钙材料。
7—绢（丝蛋白）
- 从破卵而出到结茧化蛹需要历经30天左右。在此期间，蚕农必须小心翼翼地做好温湿度管理。出售蚕茧获利丰厚，对于蚕农来说是维系一家老小生活的重要收入。因此，在悉心呵护之时，蚕农将蚕称呼为“蚕宝宝”也算是实至名归。 蚕的生长周期大致可以划分成五个阶段，刚从蚕卵孵化而出的幼虫颜色发黑，浑身盖满稀疏的绒毛。很快，黑黢黢的幼虫都变成了白白肉肉的蠕虫。进入五龄阶段，整整一周，蚕的食量暴增，体重增加至刚出生时的一万倍。到了幼虫的最后阶段，蚕通体变成金黄而透亮的颜色，四处寻找适于结茧的位置。找到满意的位置后，蚕就会以“8”字形摆动头部吐丝结茧。一条蚕可以吐出约1 500米长的丝。 收获后的蚕茧被送入工厂进行筛选。为防止蚕蛾破茧而出，质地优良的蚕茧会直接投入热水中以杀死蚕蛹。这样做还能去掉蚕丝之间夹杂的胶质，再用外形像扫帚的器具轻刮蚕茧，就可以捕捉到蚕丝的端部，再通过缫丝机卷取蚕丝，最终获得生丝。
- 丝绸与人的关联如此深刻，从我们日常使用汉字可见端倪。例如“绪”字，本意是指缫丝时必须抓住的蚕丝起始端；“纪”的本意也是找出蚕丝的起始端；“纯”的意思是未掺杂其他丝的纯丝绸生丝；“素”的意思是未曾染色的白色绢丝；“练”的意思是加工天然生丝，例如通过热煮使生丝变得洁白而柔软，后来演化成“锻炼”之意
- 绢丝不仅极为坚韧而且经久不腐。作为蛋白质却能经久不腐，这一点确实令人费解。蛋白质本身就是一种极易腐坏的物质，以蛋白质组成的肉类为例，如果在酷暑时节，把一块肉放置在露天，几小时之内细菌就开始疯狂繁殖，肌肉组织开始出现水解现象。在细菌释放的消化酶的作用下，蛋白质开始分解成单个的氨基酸，最终被细菌消化。 但是，绢丝不仅不会像肉类那样出现快速水解现象，甚至能历经数千年岁月而不腐。其中的奥秘在于，丝蛋白中的氨基酸共价键形成多个β-折叠结构与β-转角结构，这种结构难以分解，具有极强的抗消化液特性。 近年最新的研究发现，绢丝内含有一种名为胰蛋白酶抑制素的蛋白质，可以捕捉胰蛋白酶使其失去功效。正是在胰蛋白酶抑制素的保护下，绢丝才具备了免受消化酶攻击的本领，换句话说，它是绢丝自备的天然防腐剂
8—橡胶
- 为什么球类竞技运动会在那个时代集中出现呢？随着工业化社会的发展，中产阶级得到空前壮大固然是原因之一，但是更重要的原因是优质橡胶步入了普通民众的生活。 还有个原因是，以橡胶为内胆的充气球类具有其他材料无可比拟的弹性，而且这种结实、均质的内胆能大量制造
- 今天人们已经知道橡胶是由异戊二烯（分子式为C5H8）组成的长链。异戊二烯分子团是重要的有机物单位，自然界有很多由异戊二烯组成的有机化合物。例如，柑橘类芳香成分中的柠檬烯含1个异戊二烯，薄荷类芳香成分中的薄荷醇含2个异戊二烯，玫瑰花类芳香成分含3个异戊二烯，许多水果、蔬菜中含有的胡萝卜素含8个异戊二烯，橡胶分子则是由众多异戊二烯分子组成的分子链。虽然从表面上看，柑橘类芳香成分与橡胶没有关联性，但是在分子世界中，两者可以说是极其相似的同族物质。 有一个实验能证明以上观点：对着充满气体的气球喷洒橘子皮汁液，过了不久气球就会爆炸。其原理在于分子结构相近的物质易于发生溶解现象，含有柠檬烯的橘子皮汁液溶解了橡胶分子导致气球的薄壁劣化，使得气球爆炸。
- 橡胶分子中的异戊二烯分子以碳碳双键形式相结合，碳碳双键与其他种类的分子键不同。以其他种类分子键结合的分子无法转动，分子键的自由度也受到制约。由于橡胶分子之间的碳碳双键极为规整，使橡胶分子整体处于收缩状态。当橡胶分子受到外部拉力时则伸展开来，撤掉外力则恢复成原先的收缩状态，这就是橡胶具有弹性的奥秘。换个思路考虑，可以简单理解为橡胶分子的结构类似纳米级的弹簧
- 橡胶这种材料引入欧洲的人正是著名的克里斯托弗·哥伦布。在第二次航行去美洲期间（1493—1496），哥伦布率领的船队抵达海地岛时，他们看到当地人用橡胶球展示球技。这也是欧洲人首次与橡胶相遇。 在此后的几次航海中，哥伦布多次携带橡胶返回欧洲，但只是把它当成来自新大陆的稀奇玩意儿，并未发现橡胶的实际用途。在那个时代，橡胶在冬天坚硬如铁，在夏天则融化成黏糊糊的物体
- 最终发现橡胶用途的是英国科学家约瑟夫·普里斯特利（1733—1804）。在此之前，修正铅笔笔误只能依靠湿润的面包，而普里斯特利发现用橡胶块擦除铅笔笔迹的效果更佳。他将“橡胶”的英语命名为“rubber”，引申自“擦除”（rub out）。 普里斯特利是著名的英国学者，他在政治、哲学、神学、物理学等多个领域做出了重大贡献。作为化学家，他因为发现了氧气、氨气、苏打水等物质而名噪一时，以至于美国化学会用他的名字命名了顶级化学奖项——普里斯特利奖。连橡皮擦的发明也与普里斯特利有关
- 在那个时候，虽然橡胶产品已随处可见，但它的缺点——冬天坚硬如铁，夏天黏糊糊并发出恶臭——依旧未能得到有效改善。解决橡胶这一缺点的人是美国发明家查尔斯·固特异（1800—1860），他意识到橡胶的缺陷是水分造成的，认为加入干燥的粉末物质也许能改善这一问题。
- 添加硫黄后加热生橡胶，这种简单的操作即可使原本对温度极为敏感的橡胶变成极其稳定的物质，其中的奥妙在于橡胶分子间产生交联反应。 前文提到橡胶分子为一条长链，内部各处存在双重碳键，而硫黄分子则是少数能与碳碳双键起化学反应的物质之一。在加热条件下，硫黄分子在不同橡胶分子之间形成类似桥梁的构造，从而使橡胶分子互相连接。 源自植物的橡胶分子之间原本的连接键力量极弱，随着温度的上升，分子热运动速度变快，橡胶出现融化现象。硫黄分子可以使橡胶分子连接，形成耐热性良好的分子结构，这也是橡胶硫化技术的化学原理。
- 交联反应的作用下，各橡胶分子结合成一个整体，强度、弹性、耐磨性、耐腐蚀性均有大幅提高。加大硫黄的投入比例就可以让更多的橡胶分子交联，从而得到更坚硬的橡胶。 在橡胶硫化技术的飞跃性改良之下，橡胶的用途也飞速扩展。1866年，法国开发的夏塞波步枪也利用改良橡胶做的密封环提高子弹击发时的气密性，这种新型步枪的射程是旧式步枪的两倍以上，在后来的普法战争（1870—1871）中发挥了重要作用。
- 车轮被认为是人类历史上的伟大发明之一，因为很多发明是受到自然界固有事物的启发，但车轮完全来自人类的主观意识。放眼整个自然界，虽然栖息着为数众多的动物，但是没有任何一种动物以转动的方式行走。有些细菌用鞭毛或者细长的尾部移动，但是其结构更接近于螺旋桨。
- 以车轮代步的效率要远远高于步行，凡是骑过自行车的读者肯定深有体会。可是，为什么自然界的生物没能进化出车轮呢？日本生物学家本川达雄（1948—）在《大象的时间，老鼠的时间》一书中指出：车轮需要平坦而坚硬的路面才能发挥作用。确实，车轮难以应对起伏过大的路面。高度超过轮径四分之一的台阶就会成为车轮无法逾越的障碍。遇到泥泞或者松软的沙地时，车轮也将进退两难。 从整体上看，在自然界中找不到允许车轮发挥优势的地方。如果没有经过铺装的道路，车轮不过是无用之物。19世纪时，沥青道路尚未问世，世界各地只有沙石道路。木质车轮或者坚硬的橡胶车轮每次遇到微小的凹凸就会产生震动。如果震动幅度过大，就会给货物甚至车体造成损伤，因此车辆的行进速度难以提高。 解决这一难题的人是英国兽医约翰·博伊德·邓禄普（1840—1921）。当时，他10岁的儿子希望“使三轮车跑得更快、更稳”。邓禄普灵机一动，想到了用充气轮胎吸收地面的凹凸不平之处带来的冲击的点子。于是，他就尝试着用充气橡胶管包裹三轮车木轮的外缘部分，没想到效果非常理想。
- 由于改良后的效果深受好评，邓禄普立即申请了充气轮胎的专利，并于1889年在都柏林开设生产工厂。充气轮胎能够缓冲外力，彻底消除小凹凸、小石子带来的震动，顿时受到市场的热捧。在不到10年的时间里，充气轮胎就彻底替代了以前占据市场霸主地位的实心橡胶轮胎
9—磁铁
- 中国先秦时期有人将磁铁吸引铁块比喻为慈母恋子，因此称磁铁为“慈石”。现在河北省邯郸市下辖的磁县在古代曾被命名为慈州，因为该地出产磁铁。从中可知，在世界的任何地方，人们自古以来就对磁铁产生了浓厚的兴趣。
- 可以说，现代社会的一切电器均立足于法拉第与麦克斯韦的研究成果之上。 例如电动机的原理为线圈通过电流变成了电磁铁，在吸引力与排斥力的作用下永磁铁开始旋转。而发电机的构造与此相反，通过外部施加动力旋转线圈，在电磁感应的作用下产生了电流。 人们一旦掌握了电动机、发电机组合原理之后，相关的应用性新发明层出不穷。例如，仔细观察一辆汽车就可以发现，雨刷和电动车窗、电动后视镜、中控锁、空调压缩机、散热器等各处均使用了电动机，所有的电动机内搭载着适合其特性的磁铁。我们甚至可以断言，现代文明就是磁铁文明，这并非空穴来风。
- 1930年，加藤与五郎（1872—1967）和武井武（1899—1992）成功研制出了可以自由成型的高性能磁铁。这种高性能磁铁是以氧化铁为主要成分的原料烧制成型的产品，价格极为低廉。从此，电动机、打印机、对讲机、磁带等产品就走进了千家万户，冰箱贴也属于高性能磁铁之一，所以说高性能磁铁在我们生活中随处可见。
- 提到磁铁的外形，大家想到的不是棒形就是马蹄形，这是因为只有这两种形状才能保证磁铁长时间保持磁力。而高性能磁铁具有优良的保磁性，即便不做成棒形或马蹄形也可以长时间保持磁力，因此可以制作成任何形状。正是高性能磁铁这种伟大的发明，才为磁铁的应用开启了一个崭新的纪元。
- 现在，更加强劲的磁铁已然君临“磁王”之位，它就是佐川真人（1943—）在1982年开发的钕磁铁。这种磁铁磁力非同寻常，据说曾经有人因为钕磁铁的磁力造成了手指粉碎性骨折的事故。一块小小的钕磁铁都拥有强劲的磁力，这种特性为硬盘和手机的小型化做出了重大贡献。钕磁铁也出现在新能源汽车等高端产品中。现在，生产钕磁铁的重要稀有金属原料——钕和镝，都成了国际政治经济势力角逐的焦点。
10—铝
- 盔甲的历史可以说是一部人类孜孜不倦改良盔甲的血泪史。从最初的青铜胸甲开始，到后来的锁子甲和鱼鳞甲（用皮革绳连接鱼鳞状的金属片），人类一直在追求制造出更加轻便、灵活的盔甲。然而，随着长弓和火枪等威力强大的新型武器崭露头角，为了对抗这些武器，盔甲逐渐变成覆盖全身的厚重金属外壳，这种发展趋势导致轻便灵活的盔甲成了难以企及之物
- 轻质的木材和布类防御效果不好，而坚硬的铁或者青铜则太重，做成盔甲以后会降低穿戴者的机动性——这个跨越千年的难题令无数武将和盔甲匠人烦恼不已。可是，一种特殊材料能够轻而易举地解决这个问题。对于我们现代人来说，这种材料在生活中无处不在，也是本章介绍的主角——铝。
- 铝的比重大约为2.70，约为铁（7.78）和铜（8.94）的三分之一。因此，用铝制成的盔甲分量很轻。虽然强度比两者略逊一筹，但是铝合金的硬度足以媲美两者。现代相当于盔甲的物品是防暴警察使用的警盾和防护服，其主要材料便是铝合金
- 铝元素是地球上极为常见的元素，在地壳中的含量排在氧、硅之后名列第三（约占地球总重量的7.56%），储量远超铁（约占4.7%）和钾（约占2.4%）。长石和云母中含有大量的铝元素，含有铝元素的化合物自然也就成了地表极其普遍的物质。 虽然铝的蕴藏量极大，也是一种优异的材料，但是在人类的历史长河中，它一直拒绝在人类面前褪去神秘的面纱。直到1825年，铝元素才首次被人以金属形态分离出来，可以说人类与铝元素结缘至今未满200年
- 使人类迟迟未能发现铝元素，近代才实现大规模生产铝的重要原因在于，铝原子与氧原子的结合极为牢固。约27亿年前，地球上出现了蓝藻菌，而蓝藻菌则向大气释放了巨量氧气。从那时开始的漫长岁月中，铁、铝等活泼性金属原子纷纷与氧原子结合，成为金属氧化物，存储于地球各处
- 铝元素具有极强的亲氧性，一个铝原子能与多个氧原子结合。在作为媒染剂时，纤维中的氧原子和染料中的氧原子通过明矾中的铝原子在搭桥效果之下结为一体；在作为鞣制剂时，皮革中的蛋白质所含有的原子在明矾中的铝原子作用下结为一体，形成稳固而不易分解的分子结构。这一切都是人类凭借生活经验悟出了铝元素的特性，并加以有效利用
- 但是，想切断铝原子与氧原子的结合难度极大。法国化学家安托万-洛朗·德·拉瓦锡（1743—1794）就曾经预言明矾当中含有人类未知的元素。但是穷其一生，他也未能揭开谜底。英国化学家汉弗里·戴维（1778—1829）曾从明矾当中分离出未知金属的氧化物，因此他以明矾的拉丁语名称“alum”命名该金属为“alumium”，意思是“闪闪发光”。“alumium”后来逐渐演变为“alumine”，即铝的正式英文名称。
- 铝之所以会如此轻巧，关键在于它的原子量较小。以氢原子为标准进行比较的话，铝原子的重量约为氢原子的27倍，铁原子的重量约为氢原子的56倍，铜原子的重量约为氢原子的63倍，金原子的重量约为氢原子的197倍，从中可以看出铝原子是何等轻巧。
- 当然，还有一些金属也很轻，例如锂（铝的0.53倍）、钠（铝的0.97倍）、钾（铝的1.55倍）等。但是这些金属极易氧化，已经不单单是生锈这种温和的程度了，甚至遇到水会燃烧、爆炸，根本无法作为材料使用
- 金属铝一接触空气很快就会发生锈蚀现象。奇妙的是，氧化铝会在金属铝表面形成一层致密的保护层，阻绝了氧气，从而终止氧化的进程。由于保护层很薄，在外观上很难看出异样。
- 此外，金属铝具有易于切削加工、导热性和导电性优良等特点，在电器产品上的应用极为广泛。在延展性方面，铝也不亚于其他金属，可以压延成具有美丽的银白色光泽的铝箔。真可以说，铝是一种具备了美感和多种加工特性的优良金属。
- 横空出世的铝与钢铁相比，依然存在着强度不足的缺点。随着后续研究的推进，人们发现只要在金属铝中添加少量的铜、镁、锰，即可大幅提高铝的强度。由于这项技术的专利属于德国科隆金属工业公司，所以这种铝合金用“Dürener”（科隆）与“aluminium”（铝）合并的单词命名为“科隆铝”。 这个发现具有划时代的意义，警盾和防护服、现金运输箱等都是用了铝合金。科学家们通过改变添加金属的配方，又开发出了强度更高的高级铝合金和超级铝合金。 铝合金应用中最重要的领域就是飞机制造业。制造飞机的材料必须兼顾轻巧与坚固两个方面，没有任何金属比铝合金更胜任这一要求。莱特兄弟在制作第一架飞机——“飞行者一号”时（1903）就已经使用铝铸缸体的发动机了。
11—塑料
- 用玻璃瓶装的果汁消失是因为1982年版《日本食品卫生法》的颁布。该法律要求非酒精饮料必须使用热塑性聚酯塑料容器。热塑性聚酯中最主要的品种为聚对苯二甲酸乙二酯，英文为“polythylene terephthalate”，简称PET。
- 透明的PET瓶分量轻、易搬运，能看清饮料的样子，而且掉在地上也不会破裂，瓶盖还能反复使用，所以在短时间内就彻底取代了玻璃瓶。近年来，各品牌的PET容器的设计更加个性化，在商品差异化方面起到了重要的作用。这些只有塑料才具有的特性是玻璃材料无法企及的。 当然，塑料的应用领域不仅是饮料容器。第二次世界大战之后，以往木材、陶瓷以及玻璃等材料的应用领域，均或多或少被塑料所占据。连纸袋、布袋之类也被超薄型塑料——塑料袋给部分替代了。
- 如果提到耐腐蚀性，特氟龙（聚四氟乙烯）首屈一指。不论是浓硫酸还是强碱溶液，均不能将它腐蚀，是化学实验器具最理想的材料。在我们的生活中，由于特氟龙摩擦系数低而不容易出现粘锅现象，在各种不粘锅上都少不了它的身影
- 多个原子结合成分子，最终构成了我们身边的大部分物质。例如，水分子由1个氧原子和2个氢原子组合而成，而蔗糖分子则是由12个碳原子、22个氢原子和11个氧原子，合计45个原子组成。这种相对分子量在一千以下的分子被称为小分子。
- 此相反，由数千乃至数万个原子所构成的巨型分子则被称为高分子。高分子并非罕见之物，本书前文介绍的纤维素、蚕丝等都属于高分子物质，我们体内的DNA和蛋白质等也属于高分子物质。但是，这些物质无法做到“可根据用途人工塑造成各种形状的固体”，因而不属于塑料的范畴。 简而言之，利用人工手段将多种原子组合成易于使用的固体物质，这就是塑料的本质。所以说，“塑料”一词涵盖的是一个极为广泛的物质群体，尼龙、涤纶等众所周知的合成纤维在广义定义上也属于塑料的范畴。
- 塑料的种类很多，诸如“聚乙烯”“聚苯乙烯”等以“聚”（poly-）开头的物质占了大多数，它的词源来自希腊语的“多”一词。聚乙烯和聚苯乙烯是大量乙烯分子和苯乙烯分子组成的高分子物质。
- 人们往往会把塑料称为树脂（类似松香等将树木汁液干燥后的固体），正是因为人类最早使用的类似塑料的化合物就是取自天然树木的树脂。不过那时树脂的主要用途仅限于黏合剂、防滑剂等极为有限的领域。
- 树漆也属于树脂的一种。将这种取自漆树的汁液涂布于木材的表面，在干燥过程中所含的漆油成分在酶和氧气的作用下相互链接，最终形成高分子。可以说，漆器是塑料最早的雏形。
- 到了1869年，约翰·海特（1837—1920）发现在硝化棉中加入20%左右的樟脑就会发生硬化反应。他成功研发出这种新物质的生产工艺，并将其命名为“赛璐珞”。 赛璐珞可以塑造成任意形状，而且质地坚硬，是一种不可多得的材料，很快就被应用于眼镜框、假牙、钢琴键、刀具手柄等多个领域，赛璐珞的销量出现了爆发式增长。由于赛璐珞的应用领域原来使用的材料大部分是象牙，从某种意义上来说，海特是大象的救命恩人
- 不过，赛璐珞也有着明显的缺点。正如前文所提到硝化棉极易燃烧，作为衍生产品的赛璐珞也是个“暴脾气”。据说曾经有两枚赛璐珞桌球相撞，在冲击力的作用下发生了爆炸，球桌旁边的男性以为是有人偷袭，于是拔枪对射，大打出手。这个传说是真是假暂且不论，但是赛璐珞材质的电影胶片因为放映机或照明灯温度过高所引发的火灾确实夺去不少无辜生命。
- 前文提到，塑料种类多如繁星，其中聚乙烯是当之无愧的“塑料之王”。我们身边的常见之物大多是以聚乙烯为材料制作的，比如水桶和塑料袋。从整体产量来看，塑料产量的四分之一是聚乙烯，相信在今后很长一段时间内，聚乙烯的地位难以被撼动
- 正当聚乙烯的生产工艺日益完善，工业生产也步入正轨的时候，时间已经来到了1939年，正是第二次世界大战爆发的那一年。在这个时间节点上，聚乙烯成了改变世界历史进程的推手，它点燃了雷达设计领域的革命之火。 在那个年代，各国为开发新型雷达而呕心沥血。最初的雷达体积过于庞大，舰载与机载雷达的开发进入了“死胡同”。但是，随着质轻却拥有良好绝缘性的聚乙烯的问世，雷达的天线与相关零部件的设计发生了天翻地覆的变化。 到了1941年，英军率先成功开发了机载雷达，为抵御德军的夜间空袭做出了重要贡献。此外，在第二次世界大战中给盟国海上运输造成很大威胁的德国“U型潜艇”，被搭载了对海搜索雷达的英军战机纷纷击沉。英国也向美国提供了雷达技术，这对第二次世界大战的进程产生了重大影响。
12—硅
- 人类历史上的首台电子计算机要等到1945年才问世，这台值得载入人类史册的电子计算机被命名为ENIAC（电子数值积分计算机）。它的用途是计算弹道等，以为第二次世界大战提供支持。不过，等它诞生的时候，第二次世界大战已经结束了。 ENIAC由近1.8万个真空管、7万个电阻和1万个电容组成，宽约30米、高约2.4米、厚度达到0.9米，是一个总重量达27吨的庞然大物。其中，最具革命性的设计是采用程序控制计算机，可以处理多个领域问题。从这一点来看，它可以称得上是现代计算机的始祖。 虽然这台计算机在当时是耀眼的明星，但是巨大的机身和高额的维持费用，导致它的用途被制约于特殊领域内。这台原始计算机未来进化成能够影响我们生活方方面面的现代计算机，还需要以一种材料为基础，而这种材料便是本章当仁不让的主角——硅（silicon）。
- 对于化学家来说，元素周期表并不只是一张元素一览表那么简单，有时候只要多看几眼、多动动脑筋就能获得无穷无尽的创新灵感。正如前文所述，金、银、铜在元素周期表中同属一列（代表着化学特性相似），从中我们可以看出奥林匹克运动会的奖牌与人类经济活动的关联。 最令笔者感到不可思议的是，碳元素与硅元素也同属一列，在元素周期表中一上一下。两者性质相似，都可以形成4个化学键，硅元素的原子结晶结构与钻石完全相同，诸如此类的共同之处为数不少。可是，两者在自然界的存在形态与作用大不相同。
- 碳元素是生命不可或缺的重要元素。无论是蛋白质还是DNA，都是以碳元素为中心构建而成的。在地球上，无论是地壳还是海洋，人类目力所及之处的碳元素重量仅占总物质重量的0.08%，而我们身体内的碳元素重量占到了体重的将近20%。所以说，碳元素确实是生命活动中不可或缺的元素。
- 虽然硅元素在生命构成当中并没有发挥多大的作用，但是作为一种材料，硅被人类广泛应用，其用途非常广泛。且不说建筑用石材，包括前文提到的陶瓷的分子构架也以硅原子为主。此外，玻璃也是由1个硅原子与2个氧原子结合成的分子组成，这些分子排列毫无规律可言。 虽然硅在自然界无处不在，可是人类认识它的时间还不到200年。1823年，瑞典科学家贝采利乌斯（1779—1848）才首次分离出了纯净的硅
- 硅迟迟未能进入人类视野的原因与前文中介绍的铝元素的情况类似——硅与氧的亲和性极强，化学键极为牢固。前文中提到岩石与玻璃，在分子结构中硅原子与氧原子互相交错形成网状结构，分离难度极大。因此，获取高纯度的硅非常困难，必须等到技术、工艺与思路发展到一定水平之后才能实现。
- 高纯度硅是一种带有银色光泽的固体，往往会令人误以为是某种金属。但是，硅元素的物理特性与金属元素大相径庭，所以被归入了准金属。例如，就导电性来说，硅介于拥有导电性的金属与拥有绝缘性的非金属元素的中间地带。由于具有这种半导体的特殊性质，硅元素成为信息化时代的“元素之王”。
- 在种种原因的作用下，硅元素最终被推上了舞台。人们早就知道硅也具有半导体的特性，但它的熔点高达1 410℃。虽然硅具有极好的耐热性，但在提纯和结晶过程中困难重重。这一点在前文也提到过，只要掺杂少许的杂质就会导致半导体特性发生巨大变化，这就导致在生产过程中意外混入的物质会给半导体产品的质量带来很大的影响。所以在现代硅材料半导体生产中，硅的纯度必须达到99.999 999 999%以上，也就是说杂质必须低于一千亿分之一！在20世纪50年代，这个要求无异于一道难以克服的障碍。
- 在美国旧金山湾区的一个山谷中，经过多方努力，这道障碍被突破，并由此开启了硅半导体大发展的奇迹。现在，那里被命名为“硅元素之谷”，也就是闻名遐迩的硅谷。 处于硅谷核心地区的斯坦福大学是美国西海岸的著名高校。斯坦福大学曾经孤零零地被果园围绕着，斯坦福大学的优秀毕业生几乎不会留在当地工作，全都跑到纽约等美国东海岸的大城市寻找出路。 对此心急如焚的弗雷德·特曼教授（1900—1982）劝说学校的学生们留在当地创业，为毕业生们寻找留在当地的机会。1938年，威廉·休利特（1913—2001）和戴维·帕卡德（1912—1996）在特曼的支持下，在母校附近开办了一个电子设备公司，这个公司就是后来众所周知的惠普公司。