马克•米奥多尼克，伦敦大学学院材料科学教授，英国皇家工程学会会士，“英国百大影响力科学家”。他乐于为大众讲解材料科学知识，曾担多部纪录片主持人，包括英国广播公司（BBC）第二台制作的《发明的天才》。他还是伦敦大学学院制成研究中心主任。已出版畅销书《迷人的材料》。

为什么玻璃是透明的？是什么让橡皮筋有弹性？为什么曲别针会弯曲？为什么不锈钢不生锈？世界上zui薄却zui坚硬的东西是什么？材料如何塑造了我们的世界又对我们的生活产生了怎样的影响？世界材料学大师带你用材料科学家的眼睛，以全新的方式看待你身边的每一样东西。本书以渊博的知识和极富感染力的文字写就。它不仅揭露了各种物质背后的神奇结构，还告诉我们隐藏在其背后的精采故事。每一章介绍一种材料，辅以照片和手绘图，极富可读性和趣味性。

我很高兴看到他这样诙谐、聪明的作者，写出了这本妙趣横生、深入浅出的书。——比尔•盖茨 博客推荐

这本书实在太迷人了。一旦沉浸其中，你就会开始用米奥多尼克的眼睛看这个世界。我们平日里习以为常的每一样“物质”都隐藏着丰富的故事。这本书读起来真是令人愉快。——吉姆•阿尔—哈里里，物理学家、科普作家，霍金科学传播奖得主

材料学大师的又一力作。米奥多尼克教授有种天赋——他能将构成我们周遭世界的材料的科学知识和它们给人的感官感受，用独特的方式组合在一起，让我们读得兴致勃勃。——托马斯•赫斯维克，英国著名的设计师/2012伦敦奥运会主火炬设计者

一部材料科学的颂歌。米奥多尼克深入探究了金属、纸张、混凝土和巧克力等物质的分子结构和历史，并从细微中发现诗意和美。这同时也是对人类智慧的赞颂——唯有人类拥有独特的能力理解我们周围的物质，并使它们为我所用。——爱丽丝•罗伯茨，BBC科学节目主持人

《迷人的材料》提醒我，历史学家可能花了太多时间在人说过了什么和写下了什么，却没花足够的时间关注建构了我们现代社会的这些材料。——丹•斯诺，历史学家/BBC主持人

我们觉得无聊、平凡、根本不值一顾的东西，竟然有这么多隐藏不现的奇迹……也许早有人说过这些神奇的故事，以及其中相关的科学，但就像好吃的巧克力一样，唯有米奥多尼克知道，要怎么调出zuihao的味道。——《纽约时报》书评

我要很难为情的承认，我本来以为材料科学无趣又单调，但《迷人的材料》完全改变了我的想法。现在我发现我会用手指滑过物体表面，然后发出赞叹。米奥多尼克这本生动有趣的书完全改变了我看待世界的方法。——《华尔街日报》

这本书对构建现代世界的物质做了美好的描述。米奥多尼克写得真好，即使是水泥，在他笔下都显得闪闪发光。——《金融时报》

玻璃透光的奥秘

所以玻璃为何如此神奇，竟然会是透明的？光为何能穿透这种固体，其他物质为何无法让光穿过？玻璃的组成原子明明和沙子一模一样，为什么沙子不透明，玻璃却能透光和屈折光线？

玻璃（和其他一些材料）是由硅原子和氧原子组成的。原子中央为原子核，包含质子和中子，周围是数量不一的电子。比起原子的尺寸，原子核和电子都微不足道。假设原子是一座体育场，原子核就是场中央的一颗豆子，电子就是周围看台上的沙粒。因此，原子内部（应该说所有物质内部）几乎都是空的。换句话说，原子应该有许多空隙能让光穿透，不会撞到电子或原子核，而事实也是如此。因此，真正的问题其实不是“玻璃为什么是透明的”，而是“为何不是所有物质都是透明的”。

让我们继续使用体育场的比喻。在原子体育场内，电子只能占据看台上的某些位子，就好像大多数座位都移走了，只剩下几排留着，而每个电子只能待在指定好的某一排。电子若想升级到更好的位子，就得多付钱，而所谓的钱就是能量。光穿透原子时会带来大量能量，只要能量够，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。

不过，事情还另有蹊跷。光的能量必须恰到好处，让电子可以从现在的位子跳到其他空位上。能量太小，拿不到前一排的位子（也就是到前一排所需的能量太高），电子就无法升级，光也就不会被吸收。电子必须取得恰到好处的能量，才能在不同排的位子（称为能级）之间移动，这是原子世界的基本法则，称为量子力学。排与排之间的落差是特定的能量值，这称为量子化。

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级座位，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的原因，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

控制镜面曲度的更深远影响，是让光变成了可实验的对象。玻璃工匠在几百年前就已经发现，阳光以某个角度穿透玻璃时，会在墙上形成迷你彩虹，却一直无法解释其原因，只能看图说故事，推断颜色是在玻璃内形成的。直到 1666年科学家牛顿发现看图说故事是错的，并提出正确的解释，世人才终于明白背后的道理。

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。

利用实验替彩虹找出合理的解释，不仅展现了科学思考的威力，也凸显了玻璃对科学实验及破解宇宙奥秘的贡献。并且玻璃的功劳可不仅限于光学，化学更是因它而改头换面，得到的帮助比任何学科都大。只要走一趟化学实验室就能明白，玻璃的透明与惰性，让它非常适合用来混合化学物质和观察反应。在玻璃试管发明之前，化学反应都在不透明的烧杯里进行，因此很难看到过程中发生的变化。有了玻璃这种材质，尤其是耐热玻璃问世之后，化学总算进阶成为一门有系统的科学。

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？

玻璃技术是否推动了17世纪的科学革命，两者是不是简单的因果关系，目前还未有定论。玻璃看来更像是必要条件，而非充分条件。但有一点毋庸置疑，就是东方忽视了玻璃整整一千年，而玻璃却在这段时间彻底成了改变欧洲人的一项最宝贵的传统。

玻璃揭开啤酒的面纱

虽然有钱人几百年前就开始用玻璃杯喝红酒，但啤酒直到19世纪之前，都还是用不透明的容器，如瓷杯、锡杯和木杯等来饮用。由于大多数人都看不见自己喝的酒是什么颜色，因此只在乎啤酒的味道，对啤酒的色泽也就不太在意。

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，现代人却几乎都用铝罐喝，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，还会让我们产生杯子不干净的观感。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被别人的嘴碰过。

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，目的是减少发生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……

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

01 不屈不挠的钢

晚熟的科技

没有金属铜，就没有金字塔

钢是谜样物质

钢铁是珍贵的军事力量

武士刀完成不可能的任务

贝塞麦法掀起工业革命

不再夜夜磨刀

误打误撞不锈钢

02 值得信赖的纸

化身为笔记纸

保存记录

印成相纸

印制成书

变身为包装纸

以收据或发票呈现

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

化身带我去远方的车票

钞票是另类的纸

是纸又不是纸的电子纸

实实在在的报纸

传达蜜意的情书

03 作为基础的混凝土

混凝土要多久才会干

加水多少是关键

园艺家发明钢筋混凝土

施工迅速且便宜的建材

必得隐形，不能示人

04 美味的巧克力

只熔你口的技巧

嗅觉与味觉的绝佳享受

可可豆不可生吃

繁复的化学过程

分离后再加起来

最美好的滋味

绝妙的感官刺激

有潜力的健康食品

05 不可思议的发泡材料

难忘的惊鸿一瞥

跟果冻一样的东西

握在手中的蓝天

飞向太空的材质

捕捉太空物质

随星尘号远航

06 充满创造力的塑料

塑料没有罪

用塑料取代象牙

化学的车库革命

塑料有助于人体防腐

塑料专利之争

珠宝的替代品

假牙也有塑料革命

视觉文化史的转折点

电影推手

07 透明的玻璃

高温闪电造玻璃

罗马人的科学智慧

中国人独缺的发明

玻璃透光的奥秘

玻璃推动科学进步

玻璃揭开啤酒的面纱

粉身碎骨保安全

透过玻璃看见世界

08 坚不可摧的石墨

钻石是最昂贵的碳结构

潇洒的钻石大盗

钻石变石墨

煤炭化为黑玉

合成多种碳结构

更轻更强的碳纤维

神奇材料石墨烯

09 精致的瓷器

真正的永续环保材料

中国人发明精致瓷器

中国引领风骚五百年

繁复的制造过程

与文化相结合

10 长生不死的植入物

变得更强的方法

解决牙疼烦恼

用钛固定韧带

关节置换不麻烦

人体组织可再造

无法克服老化

后记 材料科学之美

万物都由原子构成

结构尺度影响大

肉眼可见的尺度

生命与无生命的分野

材料拥有意义

致谢

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