迷人的液体（彩图版）+迷人的材料（彩图升级版）（套装共2册） 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

《迷人的液体（彩图版）》

这是一本介绍液体及其特性的材料学科普书。作者马克•米奥多尼克用专业的材料学知识为我们解读了日常生活里各种各样的液体。在一次飞机旅行中，他看到了从水、胶水到咖啡、葡萄酒、液晶显示屏和洗手液等各种物质的碰撞。从革命性的钢笔和航空煤油，到自我修复道路和计算机的前沿研究，米奥多尼克运用他幽默风趣的科学叙事，揭示了为什么液体能在树里向上流，为什么油是有黏性的，为什么海浪能翻涌那么远，以及如何泡出一杯完美的茶，等等。

《迷人的材料（彩图升级版）》

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。

《迷人的液体（彩图版）》

1. 易燃易爆的航空煤油、橄榄油、柴油、硝化甘油

2. 令人迷醉的葡萄酒、香水

3. 无坚不摧的波浪、液态核燃料

4. 黏结万物的树胶、动物明胶、橡胶、强力胶

5. 如梦如幻的液晶

6. 人体分泌的唾液、汗液、眼泪

7. 提神醒脑的茶、咖啡

8. 清洁杀菌的肥皂、洗衣液、洗发水、洗手液

9. 对抗高温的氟氯烃、全氟化合物 、丁烷

10. 永不褪色的墨水、油墨

11. 呼云唤雨的积雨云、雾

12. 缓慢流动的地幔、冰川、熔岩

13. 可持续性的焦油

《迷人的材料（彩图升级版）》

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

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

图片来源

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。

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编辑推荐

★畅销全球的科普经典之作，引人入胜的大师级范本，斩获多项大奖：“文津图书奖”科普类推荐图书、全民阅读“大众喜爱的50种图书”、英国皇家学会科学图书奖、《金融时报》2018年年度图书奖、美国亚马逊年度选书、《物理世界》推荐蕞佳科普书。比尔•盖茨撰文推荐。著名物理学家、科普作家李淼，科学松鼠创始人姬十三推荐！知乎大V、B站up主、重磅媒体、国家图书馆等相继推荐。《星期日泰晤士报》《卫报》推荐！

★“蕞会讲故事的科学家”、“英国百大影响力科学家”、伦敦大学学院材料科学教授、畅销科普书作家马克•米奥多尼克，再次用有趣的故事和“英式幽默”展示液体和材料的魅力，比小说还精彩、迷人。

★叫好又叫座的科普经典全面升级彩图版。新版特加入70余幅高清彩色图片，并保留作者手绘科学原理图，全面升级阅读体验，知识与图片完美搭配、互相融合，弥补读者缺憾，让科学知识更形象生动。

★“零门槛”材料学科普经典，带你从液体的角度看世界。33种流经我们生命的液体，有着你不知道的多面性和科学故事。如何泡出一杯完美的茶？唾液为什么令人感到恶心？空调是怎么利用液体来制冷的？水为什么会在植物体内向上移动，却又从山上向下流？这本书向你展示了液体是如何迷人又危险，自由而多变。

★一部材料科学的颂歌，以高超的故事写作手法，引导你步入材料学的神奇世界，探究身边10种寻常之物背后激动人心的故事。将材料的科学知识和它们给人的感官感受组合在一起，勾起人无限的好奇心，并从中发现诗意和美。

书摘插图

《迷人的液体（彩图版）》

01易燃易爆的航空煤油、橄榄油、柴油、硝化甘油

随着机舱门关闭，我们的飞机从希思罗机场的停机口推离，有一个声音宣布：“现在开始广播起飞前安全须知。

“女士们，先生们，下午好，欢迎搭乘本次大英航空飞往旧金山的航班。起飞之前，请注意一下，现在由机组人员向您指出飞机上的安全设施。”

我一直认为这是一种令人不安的起飞方式，因为我很确信这是个谎言，安全手册根本不是真的与安全有关。首先，他们压根忘了提飞机上的数万升液体。这些液体中蕴含的巨大能量足以让我们飞完全程，正是它的易燃性使喷气式引擎充满动力。对我们来说，引擎将跑道上这架载有400名乘客、重达250吨的飞行器从静态推至每小时 500英里的巡航速度以及4万英尺的飞行高度，只需要花费几分钟。这种液体蕴含着令人敬畏的力量，点燃我们狂野的梦想。它让我们在云端遨游，可以抵达世界上的任何一个地方。将位宇航员尤里•加加林送往太空的火箭中，装的也是这种液体，它还是一代Space X火箭所用的燃料，可以将卫星发射到太空中。它就是航空煤油。

航空煤油是什么？

航空煤油是一种无色、透明的液体，令人困惑的是，它看上去几乎与水一模一样。那么，它那巨大的能量贮藏在何处？能量又是从何而来的？为什么液体内部储存着这么多原始能量却没有使它变得更像糖浆或者更危险呢？还有，为什么它没有在起飞前的安全须知中被提及？

如果你能将“镜头”放大到原子层面，就会看到航空煤油的结构很像意大利面。每一根“面条”的骨架都由很多碳原子构成，它们依次键合在一起。每个碳原子都与两个氢原子相连，除了分子末端的那两个碳原子，它们是和三个氢原子相连的。在这个观察层面下，你就可以很轻松地说出航空煤油与水的差别了。水没有面条状的结构，只有一堆杂乱无章的“V”形小分子（一个氧原子与两个氢原子相连，H2O）。你肯定不会混淆，航空煤油看起来更像是橄榄油，而橄榄油也是由碳原子骨架的分子胡乱堆砌而成的。不过，航空煤油中的原子串更像意大利面，橄榄油中的原子串却生出很多枝节并缠绕在一起。

图注：煤油中一种烃类分子的结构

因为橄榄油的分子形态比航空煤油的分子更复杂，对它们来说，摇摆着越过其他分子的难度也就更大，因此不那么容易流动。换句话说，橄榄油比航空煤油更黏稠。它们都是油类物质，在原子层面来看也比较相似，但是因为结构上的差异，橄榄油就是黏糊糊的，航空煤油却能像水一样倾倒而出。这一差异不仅决定了这些油的黏度，也决定了易燃程度。

波斯的医生、炼金术士拉齐（Rhazes）将一些关于煤油的发现记录在了他于9世纪完成的著作《秘典》中。拉齐对他所在地自然产生的喷泉非常感兴趣，这些喷泉喷出的不是水，而是一种黏稠且含硫的黑色液体。当时，这种像焦油一样的材料被提取出来，人们用它铺路，它本质上就是古代版的沥青。拉齐发明了特殊的化学工艺来研究这种黑色的油，如今我们将这种工艺称为蒸馏。他将液体加热，并收集了其中排出的各种气体。然后，他将这些气体再次冷却成液体。他初提取的液体是黄色的油状物，但经过再次蒸馏之后，它们就变成了清澈透明、可以自由流动的物质。拉齐发现了煤油。

这种液体将为世界做出的贡献，当时的拉齐不可能都想得到，但他知道它是易燃的，还会形成没有烟雾的火焰。如今看来，这一发现似乎是微不足道的，但对于任何一个古代文明而言，室内照明都是个大问题。当时，油灯采用的是的制灯技术，在很长一段时间里，油灯在点燃的时候总是会产生很多油烟。无烟油的灯可以说是革命性的发明，以至于其重要性在阿拉丁的故事中广为流传。这个故事出自《一千零一夜》，阿拉丁发现了一盏油灯，那是一盏有魔力的灯。当他擦拭灯的时候，一只强大的妖怪被他释放出来。这个妖怪注定要服从这盏灯的主人，这可了不得。当时的神话故事中经常会出现妖怪，据说它们是由无烟火焰炼出的超自然物种。这种新液体的重要性以及它制造出无烟火焰的能力，炼金术士拉齐肯定会记录下来。那么，为什么当时的波斯人没有开始使用这种新“魔法”呢？一部分原因在于橄榄树在他们的经济与文化中所占据的重要地位。

橄榄油为波斯人送去光明

9世纪时，橄榄油是作为波斯油灯燃料的不二选择。在这一地区，橄榄树生长得十分茂盛，不仅耐干旱，还出产大量橄榄果，橄榄果被压榨后便可得到橄榄油。大约20颗橄榄果就可以榨出一汤勺的橄榄油，这足以供一盏油灯照明1个小时。如果一个家庭每晚需要照明5个小时，那么一天就要用掉100颗橄榄果，一年就要用掉3.6万颗橄榄果，这还只是供一盏灯。波斯人为了让他们的帝国出产足够多的油用于照明，就需要大量的土地和时间，因为橄榄树通常在种下的前20年里不会产果。波斯人还要保护他们的土地，以防被那些觊觎这一宝贵资源的人夺走，所以他们要管理城镇，而这就意味着需要更多的橄榄树，以便所有人都能烹饪和照明。为了供给一支军队，他们需要为之缴税，而在波斯，缴税就是向政府上缴一部分橄榄果。因此你会发现，橄榄油是波斯的社会与文化核心，所有中东文明都是如此，直到他们发现新能源和税收替代物。拉齐的实验证明，这种新能源就在他们的脚下，但它还要继续待上1000年。

与此同时，油灯也在进化。9世纪的油灯设计看起来很简单，却出人意料地精巧。如果这是一碗橄榄油呢？如果你想将它点燃，就会发现这十分困难。之所以不易，是因为橄榄油具有非常高的闪点。闪点，是指可燃液体与空气中的氧气自发反应并形成火焰的温度。橄榄油的闪点是315℃，所以使用橄榄油烹饪非常安全。如果你将它溅到了厨房里，它不会立即被点燃。而且，煎炸大多数食物时，你只需要将温度加热到200℃左右，这仍然比橄榄油的闪点低了100多摄氏度。因此，用橄榄油烹饪菜肴很轻松，不会出现油滴爆燃的情况。

不过，被加热到315℃时，你的橄榄油锅会突然变成火焰，并发出大量的光。这个过程不仅异常危险，火焰也昙花一现，飞快地消耗掉所有燃料。你一定在想，是否还有比点燃橄榄油更好的照明方法，当然有。如果你将一根棉线浸入油中，只露出一截线头儿，然后将其点燃，棉线的就会产生一抹明亮的火焰，这样就不需要点燃整个锅里的油了。生成火焰的不是棉线，而是从棉线中渗出的油。这个办法十分巧妙，但还能进一步改进。如果你想让它继续燃烧，火焰不会向下烧到油中，油反而会顺着棉线向上爬，只有在它到达顶部时才会被点燃。这可以让火焰燃烧数小时之久，实际上，只要碗里有油，火就不会灭。油能无视重力的存在而自由移动，这一过程叫作芯吸效应。看起来似乎有些不可思议，但这是液体的基本性质，因为它拥有一种叫作表面张力的特性。

液体具有流动特性，因为它的结构处于混沌的气态与“监狱般”的固态（对分子而言）之间，是一种过渡状态。在气体中，分子具有足够多的热能，可以互相挣脱并自主运动。这就使气体具有动态性，它们可以膨胀，直到填满所有可用的空间，但它们几乎没有结构。在固体中，原子和分子间的吸引力比它们拥有的热能更强，这使它们紧密地结合在一起。因此，固体具有很多结构，却几乎没有自主性。当你拿起一只碗的时候，碗上的所有原子都一起运动，形成一个整体。液体是两者的中间状态，原子具有的热能足以打破它们与相邻原子的一部分结合力，却又不足以打破与所有原子的联系而变为气体。因此，它们只能被困于液体中，却又能在其中四处移动。这便是液体的本质——一种物质形态，分子可以自由徜徉，与其他分子不断地建立或切断联系。

液体表面的分子所处的环境与液体内部的那些分子不同。它们并没有完全被其他分子包围，所受到的平均作用力要低于液体内部的分子。表面分子与内部分子受力不平衡，形成了一股张力，我把它称为“表面张力”。这股力非常小，却又大到足以抵抗施加在小型物体上的重力，这也是一些昆虫能在池塘水面上行走的原因。

仔细看一下水黾在水面上行走的过程，你会发现它的腿是被水抵开的。之所以会这样，是因为水和虫腿之间的表面张力产生了排斥力，并抵消了重力。而一些固液界面的作用力正好相反，形成的是分子间的引力，水和玻璃就是如此。观察玻璃杯中的水，你会发现水接触玻璃杯的边缘部分像是被拽了上去，我们称之为“弯月面”，这也是一种表面张力效应。

神奇的“芯吸效应”

植物精通于同样的戏法。它们可以无视重力，利用一种贯穿于根、茎、叶的微型导管系统，将水从地面吸到植物内部。由于这些导管极其细微，因此导管的内表面积与液体体积的比值也急剧上升，所以表面张力效应也变得显著。因此，商家会售卖“微纤维”布料用于擦洗玻璃，这种布料含有类似于植物的毛细管道，能够快速吸收水分，帮人们更高效地完成清洁工作。厨房用纸能擦掉溅出的液体，运用的也是这一原理。这些都是芯吸效应的例子，表面张力同样会让油沿着棉线往上爬，更准确地说，是沿着灯芯往上爬。

如果没有芯吸效应，蜡烛就无法被点亮。当你点燃烛芯时，热量会将蜡熔化，并形成一个充满蜡液的小池子。液态的蜡顺着微管向烛芯上方移动，直抵火焰，向火焰输送一些新的蜡液供其燃烧。如果你选择了合适的烛芯材料，火焰燃烧时的热量足以形成一个蜡液小池，从而确保燃料稳定地流动。这种看似复杂的系统具有自主调节能力，不需要我们投入太多。虽然如今已不再将蜡烛当作一种神秘物质，但它们确实如此精妙。

数千年来，芯吸效应都是全球各地室内照明应用的基本原理，不管是蜡烛还是油灯。如果没有这两种照明工具，这世上的夜晚便会永远堕入黑暗。正如你猜到的，油灯在油料作物充足的地区比较受欢迎，蜡烛则主要是在石蜡或动物脂肪更容易获取的地区被使用。然而，尽管设计巧妙，蜡烛和油灯还是有一些缺点。除了显而易见的火灾风险，它们还会产生油烟，火焰的亮度不高，异味和经济成本高也是大问题。这便意味着，总有人会去寻找更优质、更便宜且更安全的照明方式。拉齐在9世纪时发现的煤油，如果有人注意到的话，或许就能成为解决方案。

飞机上的“起飞前安全须知”正在卖力地播报着，乘务员们忽视了航空煤油的重要性，直到现在都没有提及一句，尽管这种革命性的液体此时此刻正在被喷射到机翼下方的喷气式引擎中，为飞机在跑道上的滑行提供动力。而他们正在播报着当“机舱失压”时应该怎么做。作为一名英国人，我很感激这个词的保守性，因为听上去这好像不是什么大事。然而，“机舱失压”意味着当飞机在很高的海拔巡航时，如果机舱突然出现了一个洞或一条裂痕，所有的空气，连同那些没有系上安全带的人，都会被吸出舱外。这时，通常不会有足够的氧气来供人们呼吸，所以氧气面罩就被设计成从座位顶部落下。飞机会立即开始陡降，回落到氧气较多的低海拔区域。直到这时，存活下来的人才算是真正安全了。

缺少氧气，对于古代的油灯来说同样是个问题。这种油灯设计没有让燃料接触足够多的氧气并完全燃烧，这也是火焰的光会比较暗淡的原因。在18世纪，这仍然是个问题，直到一位名叫艾梅•阿尔冈（Ami Argand）的瑞士科学家发明出一种新型油灯，使用套筒状的灯芯，并用透明的玻璃灯罩予以保护。这样设计，空气就可以从火焰中间穿过，从根本上增加了氧气的输送量，油灯的燃烧效率和亮度也相当于六七根蜡烛。这一革新还终证实了，橄榄油和其他植物油并不是理想的燃料。要想获得更高的亮度，就需要更高的温度、更快的芯吸效应，而芯吸的速度则取决于液体的表面张力与黏度。为了寻找更便宜、黏度更低的燃油，人们开展了更多的实验。悲催的是，很多鲸因此而死亡。

通过熬煮鲸脂条可以获得鲸油。鲸脂释放出来的油，呈清澈的蜂蜜色。它并不是很好的烹饪或食用油，但230℃的闪点与较低的黏度让它非常适用于油灯。

阿尔冈油灯的鲸油用量，在18世纪末期出现突飞猛进的增长，特别是在欧洲和北美地区。在1770到1775年间，马萨诸塞州的捕鲸人每年生产4.5万桶鲸油以满足市场需求，捕鲸业因室内照明而蓬勃发展，成为一个大产业，部分种类的鲸因此而濒临灭绝。据估计，到19世纪时，人们为了获取鲸油，已经屠杀了超过25万只鲸。

完美的灯油

这种情况不能再继续下去，况且室内照明的需求还在不断增长。随着人口数量越来越多、人们越来越富裕，教育问题也越来越受到重视，在夜晚读书与娱乐的文化开始流行起来，对燃油的需求随之增长，发明家和科学家的压力也越来越大。其中，有位名叫詹姆斯•扬（James Young）的苏格兰化学家在1848年发现了一种从煤炭中提取液体的方法，并将这种液体放在油灯中燃烧，效果非常好。加拿大发明家亚伯拉罕•格斯纳（Abraham Gesner）也发现了这一产品，并称之为煤油。这本来也不算什么大事，令人始料未及的是，它恰好发生在美国南北战争爆发之前，捕鲸船成为军事目标，向其他灯油征税为新发现的煤油创造了立足之地。不过，煤油产业一直未能真正地发展起来。没过多久，发明家们就不再围着煤炭打转，转而研究一种在煤矿附近经常可以发现的黑色油体。这种必须用泵从地下抽取的原油，是散发刺鼻气味的黑色黏稠物质。不过，在使用这种原料前，他们还得先学会蒸馏，也就是初由拉齐使用的古老工艺。这门生意非常赚钱，这一次，妖怪真的从灯里冒了出来……

《迷人的材料（彩图升级版）》

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……

媒体评论

《迷人的材料（彩图升级版）》

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*好的味道。

——《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》

《迷人的液体（彩图版）》

一位机智、聪明的作者，拥有极高的天赋。

——比尔•盖茨

米奥多尼克在这本有趣的书中加入了很多“我从来不知道”的信息。他不仅知道他的专业知识，同样重要的是，他知道如何讲一个好故事。这真是一本真正令人愉快的读物。

——吉姆•阿尔-哈里里，物理学家、科普作家，霍金科学传播奖得主

液体，是物质ZUI酷的状态，这是一个鲜为人知的事实。如果有人能传播相关的知识，那就是马克•米奥多尼克。从墨水到唾液，从咖啡到肥皂，这是一次令人振奋、大开眼界的旅程。

——菲利普•鲍尔，英国科学与科普作家

这本迷人的新书由畅销书作者、科学家和工程师马克•米奥多尼克所著。我们每天都会遇到水滴、心跳和海浪。他以飞机旅行为背景，讲述了从水、胶水到咖啡、葡萄酒等各种物质的遭遇。他向我们展示了这些液体是如何带来死亡和毁灭，以及如何创造奇迹和魅力的。

——2018英国皇家学会科学图书奖

米奥多尼克在一趟从伦敦到旧金山的跨大西洋航班上，以途中遇到的各种液体作为载体，精彩地揭示了其中的材料学知识。他生动地分析了航空煤油、饮料车里的葡萄酒、把飞机粘在一起的胶水、机上的液晶显示器、机舱外的云层，等等。

——《金融时报》2018年年度图书奖

这本书完全兑现了它的承诺……阅读它就像一次解疑释惑的疗愈。不愧是一本极具可读性的获奖科普书。

——《星期日泰晤士报》

再一次，米奥多尼克写了一本令人兴奋、无拘无束、充满惊喜的书，正如书中描述的那些液体。它像大海一样，覆盖了方方面面的知识。这本书就像一杯完美的茶，温暖、舒适、令人耳目一新。

——《卫报》

米奥多尼克的吸引力不仅在于他能让复杂的科学知识变得通俗易懂，还在于他敏锐的社会观察能力……这本书新颖且有趣。

——《金融时报》

前言

《迷人的液体（彩图版）》

序言 

    我曾在机场安检处有过一次遭遇，花生酱、蜂蜜、香蒜酱、牙膏，一股脑都被没收了，让我心疼的是，还有一瓶单一麦芽威士忌。在当时的处境下，我无可奈何，只能说着“我要见你们领导”或是“花生酱不算液体”之类的话，尽管我心里明白，它就是液体。花生酱可以流动，呈现出外包装的形状，这是液体的特性，所以花生酱是一种液体。然而，这件事还是让我愤愤不平。因为即便是在充斥着“智能”技术的机场安检处，工作人员也依旧不能区分液体面包酱和液体炸药。

    从2006年起，机场不允许乘客携带超过100毫升的液体通过安检，但我们的检测技术在那之后并没有取得明显进步。X射线检测仪可以透视你的行李箱，因此被用于提醒安检人员注意那些形状可疑的物体，比如，从吹风机中识别手枪，或是从钢笔中发现刀具。可是液体没有固定的形状，检测仪只能辨识各类液体包装物的形状。机场扫描技术可以检测出液体的黏度以及一系列试剂的化学元素，但也遇到了一些麻烦。比如，易爆品硝化甘油的分子构成和花生酱的很相似，它们都含有碳、氢、氮、氧等元素，尽管前者是一种液体炸药，后者只是一种美食。毒素、毒药、漂白剂和病原体的种类多得吓人，要想从更多“无辜”的液体中迅速而又准确地分辨出它们来，简直比登天还难。不仅如此，我还从很多安检员（包括他们的领导）那里听来了一个观点：不管是我的花生酱，还是那些我似乎常会忘记从行李箱中取出来的液体物品，从某种意义上说都是隐患。他们总是说服我去相信这个很勉强的说法。

    对于性能稳定的固态物体来说，液态就是它的“第二自我”。固体材料是我们人类忠实的伙伴，衣物、鞋子、手机、汽车以及机场都拥有着固定的形态。可液体不过是流体罢了，它们可以呈现出任何形状，除非被装在容器中。当它们没有被盛放的时候，总是四处漫开、渗透、侵蚀、滴落，摆脱我们的控制。当你将一块固体物放好后，它就待在那里不动了，除非有人强行把它搬走。一般情况下，它可以胜任很多有价值的工作，比如，支撑一座大楼，或者为一整个社区提供电力。然而，液体可谓是无法无天，破坏物品时得心应手。举个例子吧，在浴室，水流总是容易漏入缝隙，蓄积在地板下面干坏事，腐蚀并破坏木质的地板托梁，要想阻止这一切，就要打一场持久战了。在光滑的瓷砖地面上，积水成了让人滑倒的“绝佳”隐患，无数人因此受伤。当水在浴室的角落蓄积时，又成了藏污纳垢之所，黑漆漆、黏乎乎的真菌和细菌生长出来，随时都有可能侵入我们身体并致病。然而，撇开所有这些威胁不提，我们还是很钟爱这玩意儿的。我们喜欢在水中泡澡，或是在水下冲凉，让全身都湿透。更何况，一间浴室里如果没有各式各样瓶装的沐浴露、洗发露、护发素、洗面奶以及管装的牙膏，它又怎么称得上是完整的呢？因为这些神奇的液体，我们感到快乐，却又对它们充满担忧：它们对我们有害吗？它们是否致癌？它们会破坏环境吗？因为液体，欢欣与猜忌交织在了一起。它们天生就是两面派，既不是气体也不是固体，而是居于两者之间，是一类令人难以捉摸的神秘物质。

    水银，数千年来人类为之欣喜不已，却也深受它的毒害。当我还是个孩子的时候，经常把玩液态的水银，围着桌面轻轻弹打水银球，着迷于它的与众不同，直到我知道了它有毒。不过，在很多古老的文明中，人们都认为水银可以益寿延年、愈合骨折，维持身体的健康状态。如今，我们已不清楚为何它会被赋予这些特性，也许是源于它的特殊性：一种在室温条件下保持液态的纯金属。中国的位皇帝秦始皇，为了长生不老而服用含有汞元素的丹药，可他在49岁就驾崩了，或许是因为中毒。古希腊人将水银制成软膏来使用，而炼金术士们相信，水银与硫黄的组合是形成所有金属的基础，当水银和硫黄之间的配比达到完美平衡时，便可以得到黄金。迷信由此产生了，人们以为，不同的金属只要以恰当的配比混合就能制出黄金。尽管我们现在知道，这完全是天方夜谭，但是黄金可以在水银中溶解是千真万确的。如果在这种液体“吸收”了黄金后再将其加热，它便会挥发，留下固态的金块。对于很多古代人来说，这个过程就像变魔术。

    水银并不是一种能吞噬其他物质并纳入其中的液体。将食盐加入水中，食盐会很快消失。但食盐肯定还存在于某处，可究竟是在哪儿呢？但若是把水换成油，食盐就会纹丝不动，这是为什么呢？液态的水银可以吸收固态的黄金，但它对水十分排斥，这又是为什么呢？水可以吸收包括氧气在内的一些气体，如果不是这样，我们就将生活在一个完全不同的世界上。正因为氧气会在水中溶解，鱼类才能在水中呼吸。虽说水不能携带足够的氧气来供人类呼吸，一些其他的液体却可以。比如，全氟碳液体（全氟化合物），这是一种化学反应性与导电性都极低的物质。如果你将手机丢入盛有全氟化合物液体的烧杯中，这种液体的惰性会让手机正常运转。全氟化合物液体也可以吸收氧气，浓度高到足以供人类呼吸。呼吸液体由此代替了呼吸空气。这种可供呼吸的液体具有很多可能性用途，重要的是用于治疗患有呼吸窘迫综合征的早产婴儿。

    当然，液态水具有维持生命的终极特征。这是因为它不仅可以溶解氧气，还含有很多其他的化学物质，包括一些碳基分子，因此能为生命的出现、新生物的诞生提供必要的水环境。或者，至少在理论上说是这样。所以，科学家们在其他行星上探测生命时，会先去寻找液态水。不过，宇宙中的液态水十分罕见，木星的卫星木卫二的冰盖下倒是有可能存在液态水海洋。此外，土星的卫星土卫二上也可能存在液态水。但不管怎么说，地球是太阳系中一颗在表面上就存在大量液态水并且可直接使用的天体。

    一系列特殊的环境条件，使地球表面的气温与气压有可能维持液态水存在。特别是，如果没有地球中心那由熔融金属形成的液态地核，便不会形成让我们免遭太阳风袭击的磁场，地表的水很可能早在数十亿年前就消散殆尽了。总而言之，在我们的地球上，液体产生了液体，又孕育出了生命。

    然而，液体也具有破坏性。泡沫之所以触感柔软，是因为它很容易被压缩。如果你跳上一条泡沫垫，会感到它在你的脚下收缩。液体不仅不会这样，还会流动——一个分子移动到另一个分子所释放的空穴中。你可以在河流中看到此景，或是当你打开水龙头的时候、当你用小匙搅动咖啡的时候。当你从跳板上跳下，身体栽入水中时，水就会从你的身边向外流开。然而，水的流动需要时间，如果你冲进去的速度比水流的速度还快，它便会对你施加反向的推力。当你以腹部入水的姿势跳进泳池时，皮肤上的刺痛感便是源于这股推力。因此，从很高的位置落水与落在水泥地面上没什么两样。水的不可压缩性也解释了为什么浪涛具有致命的威力，以及它为什么能在海啸中摧毁建筑物和城市，像卷起一根浮木般卷起一辆汽车。2004年，印度洋发生地震并引发一系列海啸，造成周边14个国家23万人遇难，在有记录以来的严重自然灾害榜上位居第八位。

    液体还有个危险的特征：爆炸性。在牛津大学攻读博士学位的时候，我需要准备一些小样品用来测试电子显微镜，其中的步骤包括将一种叫作“电解抛光液”的液体冷冻至-20℃，而这种液体是乙二醇单丁醚、乙酸和高氯酸的混合物。实验室里的学长安迪•戈弗雷为我演示了操作方法，我觉得自己已经掌握了。然而，几个月后，安迪注意到我在进行电解抛光的时候，经常会任由溶液的温度上升。有一天，他从我身后瞥见这一幕，大吃一惊：“我可不会这么做！”我问他原因，他指了指关于危险化学品的实验室操作守则：

    高氯酸是一种腐蚀性强酸，对人体组织有破坏性，如果吸入、吞入高氯酸，或是将其溅到皮肤、眼睛等处，都会有损健康。一旦加热到室温，或是在浓度达到72%以上（任何温度）时使用，高氯酸都会变成一种强氧化性酸。有机物如果与高氯酸混合或接触，特别容易受其影响而自燃。在通风系统的管道中，高氯酸蒸汽有可能形成对冲击力敏感的高氯酸盐。

    换句话说，它可以爆炸。

    在调查过实验室后，我发现了很多相似的无色透明液体，大多数都无法和其他物质区分开来。比如，我们使用了氢氟酸，这玩意儿不仅是一种能钻透水泥、金属与鲜肉的酸，还是一种会干扰神经系统功能的接触性毒剂。这是一个潜在的风险，当这种酸腐蚀你身体的时候，你却察觉不到。意外地暴露于氢氟酸环境中，很容易被人忽视，它却能透过你的皮肤一直向体内渗入。

    还有乙醇（也就是酒精），它也被列入了有毒物质的名单中。或许只是高剂量使用乙醇时才有毒，但被它杀死的人远远多于被氢氟酸杀死的人。在全球各地的社会与文化中，乙醇还扮演着各种各样的角色，它在历史上一直被作为杀菌剂、止咳药、解毒药、镇静剂和燃料使用。乙醇的独特魅力在于，它是一种精神药物，可以抑制神经系统。很多人要是每天不喝上一杯酒，就什么事都做不了，而大部分社交活动也是在提供酒精的场所里进行的。我们也许不会信任这种液体（这是对的），但不管怎么说，我们还是爱它。

    当乙醇被血液吸收的时候，我们便可以感受到它引发的生理作用。每一次强有力的心跳都在提醒着我们，身体中的血液扮演着多么重要的角色，以及它需要不断地循环。我们要对心脏这台“泵”说上一句“谢谢”，当它停下来的时候，我们也就死了。在世界上所有的液体中，血液毫无疑问是重要的液体之一。幸运的是，如今心脏也可以被替换、搭桥，或是在我们身体的里里外外被研究。血液本身也可以被输入或输出，进行储存、共享、冷冻或复活。事实上，如果没有血液库，每年都将有数百万人死于手术、战伤或交通事故。

    然而，血液也会被一些传染病源感染，如HIV病毒或肝炎病毒，所以它在保护人体健康的同时也能带来伤害。由此看来，我们还得考虑到血液的两面性，所有液体都是如此。对于某种特定的液体来说，它是否可以被信任，是好是坏，是健康的还是有毒的，是可口的还是让人恶心的，这些都不太重要。真正重要的是，我们是否对它足够了解，是否能够驾驭它。

    要想揭示我们从管控液体中获得的力量与快感，好的方法莫过于乘坐航班时瞥一眼那些被禁止携带的液体。这也是本书要讲的，在一趟跨越大西洋航班上，提到了各种奇怪而又迷人的液体。我还能乘坐这趟航班，多亏当年读博的时候没把自己炸上天，反而继续从事了材料学的研究，终成为伦敦大学学院材料研究所的主任，而我的科研工作也包括探寻液体如何“伪装”成固体。比如，修路时用的焦油、沥青和花生、黄油都是液体，而人们往往以为它们是固体。因为这项研究，我们受邀飞往全球各地参加会议，而这本书的内容就是这一趟从伦敦飞往旧金山的旅行报告。

    这趟航班是用分子、心跳和海浪的语言来讲述的。我的目的是揭开液体的神秘面纱，并解释我们为何会变得如此依赖液体。飞机带着我们飞过冰岛的火山、格陵兰岛广阔的冰冻地带、哈德逊湾附近星罗棋布的湖泊，终向南飞到太平洋的海岸。这是一张足够大的画布，我们可以探讨海洋、云中的水滴等不同尺寸的液体，还可以通过机上娱乐系统看看有趣的液晶，观察乘务员送来的饮料，当然，还有让飞机在平流层一直飞行的航空煤油。

    在这本书的每一章里，我都介绍了一种液体的特性，也多亏了液体本身具有这么多特性，如可燃性、溶解性，以及可酿造性。我也将告诉你，液体的芯吸效应、液滴形成过程、黏度、溶解度、压力、表面张力以及其他不常见的特性是如何让我们绕着地球飞行的。与此同时，我还将揭示，水为什么会向树梢流动，却又顺着山坡下泄，油为什么是黏乎乎的，波浪如何涌向远方，物品为什么会干燥，液体怎么变成晶体，自己酿酒的时候如何避免酒精中毒，当然，还有如何泡出一杯好茶。所以，请跟着我一起飞，我向你保证，这将是一趟奇异而又非凡的旅程！

《迷人的材料（彩图升级版）》

序章 走进神奇的物质世界

……

    文明时代就是物质时代

    从我们对文明发展阶段的划分（石器时代、青铜时代和铁器时代）就可以看出物质对我们而言有多么根本和重要。人类社会每一个新时代都是因为一种新物质出现而促成的。钢是维多利亚时代的关键原料，让工程师得以充分实现梦想，做出吊桥、铁路、蒸气机和邮轮。修建英国大西部铁路与桥梁的伟大工程师布鲁内尔（Isambard Kingdom Brunel）用物质改造了地景，播下了现代主义的种子。

    20世纪常被歌颂为硅时代，是因为材料科学的突破带来了硅芯片和信息革命。但这个说法忽略了其他五花八门的崭新材质，它们同样改写了现代人的生活。建筑师运用大规模生产的结构钢和平板玻璃建起摩天大楼，创造出新的都市生活型态。产品和服装设计师用塑料彻底转变了我们的住宅与穿着。聚合物制造而成的赛璐珞催生了影像文化一千年来的变革，也就是电影的诞生。铝合金和镍超合金让我们制造出喷射引擎，使得飞行从此变得便宜，进而加速了文化互动。医用和齿科陶瓷让我们有能力重塑自己，并改写了残障与老化的定义。整形手术的英文是plastic surgery，而plastic有“塑料”的意思，这显示物质往往是新疗法诞生的关键，从器官修补（如髋关节置换手术）到美化外表（如硅胶隆胸）都是如此。德国著名解剖学家冯•哈根斯（Gunther von Hagens）博士展出人体标本的“人体世界展”，也展现了新颖的生物医用材料对文化的影响，促使我们思考自己生时和死后的物质性。

    人类建构了物质世界。如果你想了解其中奥秘，挖掘这些物质来自何处、如何作用，又如何定义了我们，这本书便是献给你的。物质虽然遍布我们周遭，却往往面貌模糊得出奇，隐匿在我们生活的背景中，毫不显眼，乍看很难发现它们各有特色。绝大多数金属都会散发灰色光泽，有多少人能分辨铝和钢的差别？不同的树木差异明显，但有多少人能说出为什么？塑料更是令人困惑，谁晓得聚乙烯和聚丙烯有什么差别？但更根本的问题或许是：这种事有谁在乎？

    我在乎，而且我想告诉你为什么。不仅如此，既然主题是物质，是构成万物的东西，那我爱从哪里开始都可以。因此，我选了我在屋顶的照片当成这本书的起点和灵感来源。

    我从照片中挑了10种物质，用它们来说“东西”的故事。我会挖掘这10种物质当初发明的动机，揭开背后的材料科学之谜，赞叹人如何用高明的技术把它制造出来。更重要的是，我会说明它为何重要，为何少一物便不能成世界。

    在发掘的过程中，我们将发现物质和人一样，差异往往深藏在表面之下，大多数人唯有靠先进的科学仪器才能略窥一二。因此，为了了解物质的性质，我们必须跳脱人类的经验尺度，钻进物质里面。唯有进入这个微观世界，我们才能明了为何有些物质会有味道，有些则无；有些物质上千年不变，有些一晒太阳就发黄变皱；有些玻璃可以防弹，但玻璃酒杯却一摔就碎。这趟微观之旅将揭开我们饮食、衣着、用具和珠宝背后的科学，当然还探索了人体。

    不过，微观世界的空间尺度虽小，时间尺度却常常大得惊人。就拿纤维和丝线来说，它的尺寸和头发差不多，是细得肉眼几乎看不见的人造物，我们可以用它来制造绳索、毛毯、地毯和重要的东西：衣服。我们身上穿的牛仔裤和所有衣服都是微型纤维结构，许多式样比英国的巨石阵还古老。人类历史都记载衣服能保暖、庇护身体，还能穿出时尚，但衣服也是高科技产品，20世纪发明了强韧的纤维，让我们可以制作太空衣保护登陆月球的航天员，还有坚固的纤维可以制造义肢。至于我，我很开心有人发明了一种名叫“克维拉”的高强度合成纤维，可以制作防刀刺的内衣。人类的材料技术发展了几千年，所以我会在书中不断提到材料科学史。

    本书每一章不但会介绍一种新材质，还会提供一个认识物质的不同角度。有些主要从历史出发，有些来自个人经验；有些强调物质的文化含义，有些则强调科技的惊人创造力。每一章都是这些角度的独特混合，理由很简单，因为物质太多种也太多样，我们跟物质的关系也是如此，不可能一概而论。材料科学是从技术层面了解物质的强大、统合的理论架构，但重点还是关于材料，而不是探讨科学。毕竟所有东西都是由别的东西制成，而制造东西的人（艺术家、设计师、厨师、工程师、家具师父、珠宝匠和外科医生等），对所使用的材料及物质都有属于自己的情感、感觉和运用方式。我想捕捉的就是如此丰富多样的材料知识。

    例如，我在讨论纸的那一章用了许多角度，像快照一样呈现，理由不只是纸有各种型态，还因为几乎所有人都以许多方式在用纸。但在讨论生医材料的那一章，我却钻入了“人类物质自我”（也就是人体）的深处。这块领域正迅速成为材料科学的处女地，不断有新材料出现，开启了名为仿生学的全新世界，让人体得以借助植入物而重建。这些植入物都经过设计，可以“聪明地”融入肌肉和血液的运作中。它们誓言彻底改变人和自我的关系，因此对未来社会有深远的影响……