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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544713]
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 万物都由原子构成
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从这个角度来看，很快我们就会发现所有材料其实拥有一组共同的结构。最简单的例子就是所有材料都由原子构成。你很快就会发现，金属和塑料有许多共同点，而塑料又和皮肤及巧克力等有许多雷同之处。为了呈现所有材料的共同点，我们需要绘制一张材料的俄罗斯套娃结构图。这不是以单一尺度描绘各种地形的普通地图，而是以多重尺度表达一种地形：材料的内在世界。请见下图：
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让我们从最根本的组成单元开始，那就是原子。原子的大小是我们的一百亿分之一，因此肉眼显然无法看见原子结构。地球上自然存在的原子有94种，但其中8种构成了98.8％的材料与物质，分别是铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙、铝，其他都算是微量元素，连碳也不例外。我们已经能把一些常见元素转换成稀有元素，但得靠核反应堆才能进行，这种方法不仅价格高于采矿，还会产生核废料。这就是为何黄金到了21世纪依然值钱。从以前到现在，人类开采的黄金加起来也只能放满一栋豪华别墅。
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某些原子非常有用，但数量稀少，例如钕和白金，但量少不一定是问题，因为材料不单单取决于它的组成原子。就像之前提到的，坚硬透明的钻石和乌黑柔软的石墨，两者的差别不在于原子，它们都是由同一种元素构成的，也就是碳。两者性质的巨大差异来自于原子的排列方式，在于是立方体还是多层堆栈的六角平面。这些排列方式不是随意的，我们无法随心所欲地排列原子。
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排列的规则取决于量子力学，而量子力学把原子视为波函数，而非粒子，因此用结构来称呼原子本身以及原子形成的键结更为恰当。有些量子结构会产生可移动的电子，使得该材料可以导电。石墨的结构就是如此，所以能导电。钻石里的原子跟石墨相同，但结构方式不同，使得电子在晶格内无法自由移动，因此钻石不会导电。钻石呈现透明也是同样的道理。
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这个看似炼金术的现象告诉我们，就算原子的种类极少，也可以创造出性质极为不同的材料。人体就是很好的例子。大多数的器官和组织都是由碳、氢、氧、氮所组成，而这四个成分的排列组合只要稍微变化，再加上钙和钾之类的矿物质点缀，就能形成头发、骨骼和肌肤等极为不同的生物材料。这就是材料科学的金科玉律：单是知道材料的基本化学组成，并无法了解材料的特性。这个法则不仅对技术发展非常重要，更具有深远的哲学意义，毕竟现代社会就是靠它才得以存在的。
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因此，组合原子才能创造材料。由一百个左右的原子堆叠而成的骨架就叫纳米结构。1纳米是十亿分之一米，属于这个尺度的物体叫大分子，也就是由数十到数百个原子组成的较大结构，例如我们体内的蛋白质和脂肪。塑料的主要成分也属于这一类，像是制造赛璐珞的硝化纤维素和必须从木浆中去除才能造纸的木质素。纳米尺度的多孔结构就是非常细致的发泡材料，例如气凝胶。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 结构尺度影响大
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在之前的章节中，这些结构看似面貌不同，其实都有一个共同点，就是它们的性质都出自纳米结构，调整这个尺度的结构就会改变它们的性质。人类操控纳米世界已经有数千年历史，只不过之前靠的是化学反应或炉床冶炼之类的间接方式。铁匠打铁其实是在改变铁内结晶的形状，让纳米尺度的位错“成核”，亦即让晶体内的原子以音速跳到另一个晶体。我们的肉眼当然看不见这么微小的变化。在人的尺度上，我们只会看见铁改变了形状。这就是为什么我们过去觉得金属是“铁板一块”，因为我们直到这些年才掌握了结晶内部的复杂机制。
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纳米科技之所以在最近蔚为风潮，是因为我们现在有了显微镜等工具，能直接在纳米尺度进行操控，创造大量的纳米结构。我们现在能做出搜集光转化成电来储存的纳米结构，以做出发光源，甚至做出能感受气味的纳米粒子。纳米科技似乎拥有无限可能，但更有趣的是，许多纳米结构都能自我合成，也就是这些材料能自行生成。听起来很诡异，但完全符合已知的物理定律。汽车马达和纳米马达的差别在于，纳米世界的主要作用力为静电力和表面张力，纳米尺度下的重力非常微弱，而前述两种作用力却特别强。但对车子而言，最强的作用力是地球的重力，重力会让车子肢解。因此我们可以设计纳米机械，让它能利用静电力和表面张力自动合成与自行修复。细胞内部本来就有这套分子机制，所以才会自行生成，但在人的尺度上就需要力气和强力胶了。
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纳米结构太小了，人类看不见也摸不着。为了让材料能和人互动，就必须组合纳米结构，让它变大十到一百倍，聚合成显微镜下可见的结构。不过，即使变大到微观尺度，肉眼依然看不见。硅芯片是20世纪最伟大的科技突破之一，它就属于微观尺度。硅芯片由硅结晶和电导体聚积而成，是电子世界的动力火车。我们身边的电子设备包含了数十亿个硅芯片，它们能播放音乐、拍摄度假相片和洗衣服。它们是人造的大脑神经元，尺寸相当于人体的细胞核。怪的是它们没有会动的部位，完全靠本身的电磁性质来控制信息流。
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生物细胞、铁结晶、纸的纤维素纤维和混凝土原纤维也属于微观尺度。这个尺度中还包括一个伟大的人造结构，就是巧克力的微观结构。可可脂结晶有六种结晶构造，熔点各不相同，使得巧克力拥有非常特殊的口感。糖的结晶和包含巧克力香味分子的可可粉也属于这个尺度。改变巧克力的微观结构就能改变巧克力的味道与口感，而这正是巧克力师傅的本领所在。
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材料科学家正开始设计可以控光的微观结构。这类人造“超材料”具有可变的折射率，可以把光曲折成任意角度。这项技术催生了第一代的隐形斗篷，只要围住某个物体，它就会弯折射向物体的光线，让人无论从任何角度看都会觉得那个物体消失了。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 肉眼可见的尺度
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介观尺度含纳了原子结构、纳米结构和微观结构，是肉眼可见的临界点，手机的触控屏幕就是很好的例子。它看来平滑细致，但只要把水滴在屏幕上，水珠就会产生放大效果，让人看见它其实是由微小的像素组成的，而且有红、蓝、绿三种颜色。这些微小的液晶可以个别调控，组合成人类肉眼能见的所有颜色，而且能迅速开关，因此可以用来看电影。瓷也是介观结构改变而得到的成果，是另一个很好的例子：由不同的玻璃和结晶结构组合在一起，创造出强韧、光滑又色泽丰富的材料。
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袖珍尺度由原子结构、纳米结构、微观结构和介观结构组成，是肉眼刚巧可见的大小。丝线、头发、缝针和这本书的铅字都属于袖珍尺度。当你欣赏和抚摸木理时，就是在袖珍尺度下感受这些结构的组合。这个尺度的组合让木头拥有独特的质感，坚而不硬、轻巧温暖。同样的道理，绳索、毛毯和地毯也都属于这个尺度，当然衣服也是。那些较小结构在袖珍尺度的组合，造就了这些材料的强度、弹性、味道与触感。一条棉线的外表可能跟丝或克维拉纤维难以区别，是它们在原子、纳米、微观、介观和袖珍尺度的结构上有相当差异，让其中一个足以抵挡利刃，另一个软若牛油。我们的触觉就在这个袖珍尺度上跟物质互动。
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最后是人的尺度。这个尺度是之前所有结构的集大成者，我们握在手上、放进嘴里或位于我们体内的东西都属于此类。这是雕塑和艺术品的尺度，也是管送工程、烹饪、珠宝和建筑的尺度。这个尺度的材料都是我们日常所见的物品，如塑料管、油画颜料、石头、面包和螺丝等。这些材料的外表再次显得整齐划一，但我们已知道事实并非如此。不过由于这些材料的深刻内涵必须放大才能看见，因此直到20世纪，我们才发现所有物质底下的这个多尺度结构。就是这个多重结构让我们明白，为何所有金属虽然外表相似，性质却南辕北辙，为何有些塑胶柔软好拉扯，而有些坚硬如石，还有我们为何能把沙子变成摩天大楼。这是材料科学最值得骄傲的成就，因为它解释了那么多事情。
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设计不同尺度的结构让我们有能力发明新材料，但21世纪真正的难题在于结合所有尺度的结构，形成人的尺度的物体。虽然智能型手机是这种整合的实例，它结合了介观尺度的触控屏幕和纳米尺度的电子元件，因此让整个物体全接上电线，有如布满神经线路般，已经不再是不可能的任务。一旦全面实现，我们的房子、建筑甚至桥梁都将可以自行发电，传送到需要的地方，同时能侦测毁损并自我修复。如果你觉得这听起来像科幻小说，别忘了生物体内的物质早就做到这一点了。
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