《奇妙的材料》Epub-Pdf-Mobi-Txt-Azw3 下载在线阅读

 

作者：佐藤健太郎

 

副标题：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇

 

内容简介：

 

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。

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炼金术时代 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。也许找到制作黄金的方法这种挑战本身就具有无穷的魅力，8世纪阿拉伯著名学者贾比尔·伊本·哈扬（约721—约815）、16世纪的医学家帕拉塞尔苏斯（1493—1541）等拥有那个时代最睿智的头脑的人，无一例外痴迷于炼金术。令人颇为意外的是，连著名的艾萨克·牛顿（1643—1727）在晚年也为炼金术殚精竭虑，最后在失望之中黯然离世。 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。两者之间可以说是无缝衔接，并无明显的分界线。英文“化学”（chemistry）一词的词源就是“炼金术”（alchemy），甚至有人说炼金术的词源就是中文“金”（jin）。现代化学催生了无数比黄金用处更广泛的物质。从这个角度来看，炼金术士们的努力并非一无是处。 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。这类电子设备中含的黄金被称为“闹市金矿”，相关的黄金回收技术备受瞩目。 此外，纳米级的黄金微粒呈鲜红色，具有普通黄金所没有的特殊性质。最近的科学研究表明，纳米金能分解有毒物质，也可以作为塑料原料生产中的催化剂。还有许多人在其他众多领域中为开发纳米金的新用途而殚精竭虑，这就是传说中的“纳米金风暴”！今天的黄金，已经不仅仅是一种只有“颜值”的金属了。 黄金的魅力 但是，关于黄金还有一个巨大的不解之谜，那就是为什么人类会如此喜爱黄金。正如前文所述，虽然世上还有其他为数众多的金属和贵重物质，但是除了黄金以外，没有哪种物质能像黄金那样使人类为之倾心、为之疯狂。黄金到底有什么魅力使人类如此想拥有它呢？ 其中的缘由可能是黄金的光芒酷似太阳与火焰的颜色，不过，这只是笔者的猜测。自古以来，人类惧怕黑暗，因为敌人或猛兽可能会在黑暗的掩护下悄悄接近，这使人类一直生活在对黑暗的恐惧之中。对于人类来说，火焰和朝阳的光辉意味着生命的希望，是人类孜孜不倦追求的生命之光。这种对金色光芒的热爱，已经铭刻进了每一个人的骨子里。到了现在，人类的这种热爱转变成了对黄金的渴求之心。 前文提到人类选择黄金作为最初的价值存储与计算材料，不过很快银和铜就取代了黄金的地位，直至后世出现了纸币、塑料银行卡，甚至没有实体的数字货币，它们都是黄金的价值继承者。 但是，无论是纸质货币还是数字货币，之所以能交换实物的一条根本原则就是，大家都认同“这种东西拥有价值”这一近乎魔幻般的共识。当发生战争、革命或恶性通货膨胀时，货币会大幅贬值，这种共识将不复存在，而货币的价值也就化为乌有。 其实黄金本身的价值也不过是种共识，但是这种共识扎根在人类的本能之上，结果就成了人类对黄金价值的无上信仰。所以，无论如何改朝换代，世人永远将“黄金救急”奉为圭臬，毫不犹豫地将自己的劳动所得换成黄金。我们可以推测，也许黄金受追捧、被争夺这种现象会贯穿整个人类历史。 著名哲学家布莱士·帕斯卡曾经说过：“要是克娄巴特拉七世[1]的鼻子长得短一些，整个世界的面貌就会改变。”同样，假如黄金的颜色是银白色或青绿色的话，世界历史和经济会变成什么样子呢？那样的世界也许会比现在的世界更和平，也许会更无趣。 [1] 克娄巴特拉七世是古埃及的托勒密王朝最后一任女法老，被称为“埃及艳后”。她才貌出众、聪颖机智，擅长使用政治手段，一生富有戏剧性。她卷入了罗马共和国末期的政治旋涡，同恺撒、安东尼关系密切，并有诸多传闻轶事，因此成为文学和艺术作品中的著名人物。 第二章 跨越万年岁月的材料 ——陶瓷 容器与人类 很多人都有过这样的经历，搬家的时候需要很多箱子打包各种杂物，从中我们可以体会到容器的重要性。想象一下，如果喝水的时候没有杯子，吃饭的时候没有碗和盘子，扔垃圾的时候没有垃圾箱，我们会多窘迫。由此可以知道容器的存在给人类提供了多大的帮助。 从这个角度上来看，将容器定义成人类早期的重大发明之一也丝毫不为过。在远古时代就已经进入人类生活的素陶更是容器中的翘楚。素陶是先用黏土塑形，然后用火烧制而成的。有位考古学者曾经说过，无论是在哪个国家进行考古，第一目标就是寻找罐子或罐子的碎片。素陶、陶器、瓷器的制作水平是衡量古代文明发展程度的标杆之一。 令人感到不可思议的是，在塑料、铝等新材料已无处不在的今天，陶瓷的风头依旧不减当年。今天，我们日常使用的瓷碗、砂锅等器物，与全球各地出土的素陶相比，无论是形状还是材质均无太大差异。 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。 陶瓷的诞生 那么，世界上最早的陶瓷——素陶是什么时候诞生的呢？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。而日本也在太平山遗址（青森县）发掘出了距今1.6万年的绳纹素陶。可以说，东方使用素陶的历史要比埃及和美索不达米亚文明更加久远。 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。按照常理来说，使用火的历史如此久远，人类使用陶器的历史也应该更长才对。对于这个疑问，目前也没有明确的答案。 有些观点认为，日本的陶器使用历史可以追溯到冰河期的末期。在那个时代，人类可以轻易收获大量橡子之类的食材，而人类制作陶器的目的就是通过水煮去掉橡子的苦涩成分。这样一来，人类就可以获得可靠的食物来源，而不必去追随猎物四处迁徙。到底是人类开始定居才催生了容器，还是容器的发明导致人类开始定居，目前尚无定论。无论因果如何，进入定居的时代是人类历史的重大转折点，这与陶器的问世是密不可分的。 很快，人类就根据用途开发出多种多样的陶器，代表陶器的汉字有“壶”“碗”“瓶”“罐”“瓮”“甑”“杯”“鬲”等，种类繁多，令人讶异。从中我们可以一窥古人对陶器的重视程度与严谨的分类。古人利用这些形状各异的容器进行水、食物的处理、保存，从而获得了安全卫生的食物、杜绝了传染病的蔓延。可以说，使用陶器是人类走向繁荣的重要条件。 绳纹文化中期的陶器 陶器为何如此坚硬？ 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。 泥砖建筑物 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。 陶器可以历经几千年时光而不改变自身的形状，更不会重新变回黏土。人类的祖先花费精力烧制的陶器，到了今天依旧保持着当时的风采，这多亏原子之间形成了牢固的层状结构。 制陶与环境破坏 这种以黏土为原料经过低温烧制的产品一般被称为素陶，日本的绳纹土陶和弥生土陶均属素陶。中国的古人开发出水簸法，这是利用水中不同物质沉降速度不同的特性，分离出相同颗粒的黏土。这种极为先进的黏土精制技术，可以挑选出适合烧制陶瓷的材料。 中国最著名的陶制品就是秦始皇陵兵马俑，这些深埋于地下的陶俑战士身高超过180厘米，达8 000多尊，浑身涂满颜料，呈现出鲜艳的色彩。此外，秦始皇陵内还有用水银填满的江河湖泊，可以说那是一座陶器构成的地下都市。这些工艺精巧、技法细致的陶器令人对2 000多年前精湛的技术水准叹为观止。