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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 [:1700541980]
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从房屋到纸张
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炎炎夏日，在杂草丛生的院子里除草这种痛苦经历，相信绝不是只有笔者体验过。想要将看起来柔弱不堪的杂草连根拔起，你就不得不和具有出人意表的柔韧性的它苦战一番。望着掌心磨出来的血泡，笔者由此体验到了生命蕴含的力量。
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匍匐于地面，无法像动物一般逃跑或捕猎的植物，为了种族的延续而进化出各种各样的身体结构。杂草遭遇强风也不会倒伏、折断，既牢固却又柔软，其秘密就在于植物纤维。这也是支撑植物走到今天的重要物质之一。
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不同种类植物的形态、繁衍方式、生存环境的差异之大令人咋舌。但是，坚韧的植物纤维、叶绿素主导的光合作用、能经受酷寒干燥的种子是许多植物共有的三个特征。可以说，这是在漫长的进化过程中，植物创造出来的“三大发明”！
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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！
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身边有如此天量的有用之物，人类当然不会置之不理。其实，人类一直就生活在纤维素之中。前文所述，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。部分细菌也会分泌纤维素，例如醋酸菌能分泌类似椰果组织的、呈球形的纤维素。
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通过化学方法对纤维素进行深加工，能使纤维素的用途更加广泛。其中，最好的例子就是硝酸纤维，也是以前广为人知的人造象牙的主要成分，其实就是经过硝酸处理的纤维素（请参考第十一章），是摄影胶卷不可或缺的主材料，也曾用在液晶显示器中。
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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。
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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 [:1700541981]
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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 造纸术的改进者
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自古以来，在人类使用的多种材料中，纸是最特殊的存在，因为它的改进者甚至连改进年份都留下了详细的记录。造纸术的改进者是位名叫蔡伦（？—121）的东汉宦官。他生前身居中常侍之位。中常侍相当于宦官的中层管理职位，蔡伦本人还兼任尚方令，主要负责替皇帝制作各种器具，相当于皇家御用作坊的负责人。据说蔡伦具有发明家的天资，因为他制作的器具极为精美而深受皇帝的认可。正是这种天才之士，再加上拥有调动资源进行反复试验的权力，最终蔡伦改进了造纸术，对人类文化传播和世界文明的进步做出了巨大的贡献。
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蔡伦造纸
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史书记载，公元105年，蔡伦总结了以往人们造纸的经验，革新造纸工艺，利用碎树皮、麻布头、破旧渔网等原料制作出了薄而结实的纸张，并敬献给当时的汉和帝。汉和帝龙颜大悦，给予蔡伦优厚的赏赐。
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在纸发明以前，人类主要使用将经过处理的木片与竹片捆扎而成的记录媒介，也就是木简与竹简。毋庸多言，这些东西体积庞大，使用起来极为不便。而纸不仅易于书写，既薄且轻，不占地方，可以制成卷轴或装订成册保存，轻巧却能记录大量的信息，实用性远超木简和竹简。
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蔡伦以前的时代并非完全没有类似纸的东西。到今天为止所发现的最古老的“纸”应该是中国甘肃省天水市出土的麻纸，据推测应该制作于公元前179年至公元前142年之间。能用于书写文字的纸早在西汉宣帝（前74年—前49年在位）时代就已经问世，被命名为“悬泉纸”。
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此外，在埃及出土过纸莎草（将具芒碎米莎草茎的外皮平摊后压制成片状）等类似纸的物品，也就是说在中国以外的地区也有过相似的发明。但是这些“纸”的质量较差，而且价格极其昂贵。
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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。
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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。
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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 [:1700541982]
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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 纤维素为何如此强韧？
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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。
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