gooood Book - 迷人的材料

最近到了西安，实地的去感受古城所呈现的华夏古文明。其中有一项体验就是在完整的西安城墙上用自行车绕骑一周，实话讲我深觉这条从隋代就开始建设的都墙十分伟大。后来在城墙南门观看了梦长安的表演，通过沉浸式的舞台设计仿佛亲临唐朝盛世，在节目过程中我看着唐朝的服饰和反映出的民风不禁叹息并开始思考：为什么每一个朝代的审美与服饰还有理念差距如此之大，为什么唐朝之后的朝代便越来越不开放？是否只有强盛才能开放？于此同时我也想到《迷人的材料》在关于玻璃材料论述中对中国的一段描写：“中国人独缺的发明…没有望远镜就不可能看见木星的卫星，也不可能看见冥王星并做出关键的天文测量，奠定我们现在对宇宙的理解。同理，没有显微镜就不可能看见细菌之类微生物，也不可能有系统地研究微观世界，发展出医疗和各种工程技术。” 中国是否真的因为忽略这种材料而减慢了前进的步伐？看看元明清时代，人文艺术都向繁复与自闭的方向发展，缺少宏大的世界观和宇宙观。

建筑也因为材料而不一样。没有材料科学（混凝土，钢筋混凝土等发明）和其它科学的突破，现代的建筑发展不能实现上个世纪那样的变革。基础科学，材料研究等等领域与普通人的关系正如作者所说：隐形却又深刻影响所有人的生活。

 

选段展示

 

中国人独缺的发明

或许因为玻璃实在太脆弱了，所以制造玻璃的技术在古罗马人取得大幅跃进之后，便停滞不前。中国人也懂得制作玻璃，甚至曾买卖古罗马人的玻璃，却没有继续发展制玻技术。这一点颇令人意外，因为在罗马帝国瓦解后，中国人的材料技术发展领先了西方世界足足一千年。他们在纸，木材，陶瓷和金属的发展上都是专家，却独独忽略了玻璃。

相较之下，西方由于酒杯曾经风骚一时，使得西方人对玻璃始终带有一分尊敬与欣赏，导致其文化深受影响，透明防水的窗玻璃能让光线进入又能遮风避雨，在欧洲实在有用，很难被忽略，天气较冷的北欧尤其如此。不过，欧洲人起初只能做出小面的坚固透明玻璃，幸好可以用铅接合成大面玻璃，甚至可以上釉着色。彩绘和花窗玻璃成为财富和文化的象征，更彻底改写了欧洲教堂建筑。为教堂制作花窗玻璃的工匠，逐渐获得和石匠同等的地位，备受敬重，新的上釉技术也在欧洲蓬勃发展。

19世纪之前，东方人一般轻忽玻璃。日本和中国的房子主要使用纸窗，虽然效果良好，却造就了不同于西方人的建筑风格。

由于缺乏玻璃技术，东方就算工艺发达，也未能发明望远镜和显微镜，这些物品都要等到西方代教士引入时，才得以接触。当时中国工艺技术遥遥领先，实在无法判断，是否因为少了这两项关键的光学仪器，才未能如17 世纪的西方般更进一步犮生科学革命。

但清楚的是，没有望远镜就不可能看见木星的卫星，也不可能看见冥王星并做出关键的天文测量，奠定我们现在对宇宙的理解。同理，没有显微镜就不可能看见细菌之类微生物，也不可能有系统地研究微观世界，发展出医疗和各种工程技术。

 

误打误撞不锈钢

1913年，欧洲列强忙着整军经面对第一次世界大战 , 布雷尔利 （Harry Brearley）受雇钻研合金，以便改良枪管。他在英国雪菲德郡郡一间冶金实验室工作, 把不同的元素掺入钢管来模铸枪管，再用机械测试硬度。布雷尔利知道钢是碳和铁的合金，也晓得还有许多元素也能加进铁里，用来加强成减弱铁的性质,但没有人知道原因为何。于是他开始尝试，把铁熔解后加入各种成分，以观察效果。比方说他某一天用铝来试验，隔天就用镍, 以此类推。

布雷尔利毫无进展。新铸的枪管如果不够硬, 他就扔到角落。他的灵光乍现发生在一个月后。那天他经过实验室,发现那堆生锈的枪管里有东西在闪闪发亮。他没有置之不理, 反而打消去酒吧的念头，找出那根没生锈的枪管，立刻明白了它的重要性。他手上拿的是世界上第一块不锈钢。

布雷尔利掺入的两种成分是碳和铬， 因为比例刚好, 意外创造出非常特别的晶体结构,让碳原子和铬原子同时嵌入铁晶体内。铬没有让铁变硬, 所以他把掺铬的枪管扔了，但没想到铬产生的效用更有趣。钢接触到空气和水时，通常会在表面发生化学反应, 形成氧化铁，也就是俗称铁锈的红色矿物质。铁锈剥落后, 新的钢面又会受空气和水侵蚀,使得生锈成为钢铁的痼疾，因此铁桥和车子才要上漆防锈。但掺了铬就不同了。铬很像某些特别有礼貌的客人，氧气还没碰到主人铁原子，铬就抢着先跟它反应形成氧化铬。氧化铬是透明坚硬的矿物质, 对铁的附着力极强。换句话说, 它不会剥落, 从外表又看不见, 有如一逍隐形的化学保护膜把钢铁完全包住。除此之外，我们现在还知道这层膜会自我修复，也就是即使不锈钢的表面磨到了，使保护脱遭到破坏，它也会自行复原。

布雷尔利利开始制作全世界第一把不锈钢刀, 但立刻遇到困难。含铬的钢不够坚硬，无法磨利，很快就被戏称为“什么都不能切的刀”。毕竟布雷尔利一开始舍弃了它，没拿它来做枪管，就是因为它不够硬。但含铬的钢虽然硬度不足，却让它因此具备别的长处，只不过这长处到很后来才有人发掘，那就是它可以扳成复杂的形状。这让它成为英国雕塑史上最具影响力的作品。几乎遍布所有家庭 : 那就是厨房的水槽。

不锈钢水槽既强韧又闪亮，而且似乎丢什么给它都无妨。在这个但求以迅速方便的方法来去除废弃物和脏污的年代,不管丢入的是油脂、漂白水还是强酸，不锈钢真的百毒不侵。它已经把陶瓷水槽赶出厨房，而只要我们点头，它也乐于取代浴室里的陶瓷马桶。只不过我们对这种新材质还不够信任，仍不敢把最私密的废弃物交给它。

不锈钢是现代世界的缩影。它的外表干净明亮,感觉坚不可摧却又非常亲民，才出现短短一百年，就己经成为我们最熟悉的金属。毕竟我们每天都会把它放到嘴里：布雷尔利最后用不锈钢做成餐具。氧化铬在铁的表面形成的透明保护膜，让舌头永远碰不到铁, 唾液无法跟金属反应,  使得汤匙尝起来没有味道，于是人类从此再也不会受到餐具味道的干扰。不绣钢经常出现在建筑和艺术里，原因是它光亮的表面似乎永不褪色。英国雕塑家安尼施•卡普尔(Anish Kapoor)在芝加哥千禧公园的作品“云门”就是绝佳的例子。不锈钢反映了我们对现代生活的感受：利落明快，并且能对抗肮脏、污秽与混乱。不锈钢反映出，我们如它一般强韧不屈。

 

混凝土

混凝土凝固是相当精巧的化学反应，其中的活性成分为磨碎的岩石, 但不是所有石块都管用。想自制混凝土，岩石必须含有碳酸钙，而碳酸钙是石灰石的主要成分。石灰石是生物体层层埋在地底，经过数百万年地壳运动的高温高压融合而成的物质。此外,制造混凝土还需要含硅酸盐的岩石。硅酸岩是硅氧化合物。地壳将近90%由硅酸盐组成，因此某些黏土应该可用。但不能直接把这些成分磨碎混合后再加水，除非你要的是烂泥巴。为了制造会和水反应的关键成分，必须先断开硅酸钙和硅酸盐的化学键。

要做到这一点没那么容易。硅酸钙和硅酸盐的化学键非常稳定，所以岩石很难溶解于水中，也不大会和其他物质发生反应，因此才能挺过风吹雨打屹立数百万年。关键在加热，而且是高达1450°C的高温。森林大火或燃烧木炭至火焰呈红色或黄色,温度也只有600°C到800°C ，远不及这个高温。1450 ℃的火焰是亮白色，微微泛蓝，但没有半点红色或黄色，亮度会让人看了很不舒服，甚至非常刺眼。

岩石在这样的高温下会开始分裂重组，产生一群名为硅酸钙家族的物质。称为家族是因为不同的硅酸钙含有程度不等的杂质，会影响化学反应的结果。制造混凝土需要富含铝和铁的矿石作为点石成金的材料，但比例必须正确，降温后才会形成颜色如月球表面的灰白粉末，用手去摸会感觉很像灰烬，有丝绸的滑顺感，仿佛倒退回到岩石的前身，但很快你的手就会觉得干痒，如同遭细针戳刺。这材料非常特别，却有个无趣的名字，就叫水泥。

水泥粉末只要加水就会迅速把水吸收，然后颜色变深，但不会像其他加了水的岩石粉末般变成烂泥，而是产生一连串化学反应变成凝胶。凝胶是半固体状的流质，小孩爱吃的果冻就是凝胶，大多数牙膏也是。凝胶受制于内在构造，无法像液体一样随意流动。果冻胶化是因为明胶，水泥胶化则是因为水合硅酸钙原纤维。钙和硅酸分子溶解后，会形成极似有机分子的晶休结构，并且不断生长，化学反应也持续进行,使得水泥内部的凝胶不断改变。

增生的原纤维相遇后会彼此交错, 形成键结锁住更多水分, 直到水泥从凝胶变为坚硬的固体为止。这些原纤维不仅彼此键结, 还会抓住岩石与石块。水泥就这样成了混凝土。

工人会用水泥黏合砖块盖房子,或接合石头兴建纪念碑, 不过都只涂抹在砖块或石头之间当黏合剂，用量很少。唯有混合充当砖头的碎石，变成了混凝土，水泥才能充分发挥它成为建材的潜能。

加水多少是关键

任何化学反应都一样,只要成分比例不对, 结果就是一团糟。混凝土中如果加水过多, 水泥里头就没有足够的硅酸钙能和水反应, 水分就会残留在结构体内, 使得混凝土强度减弱。但是加水太少又会让部分水泥无法和水反应，同样会削弱混凝土的强度。混凝土出问题通常是人为疏失的结果,  但有时可能不会实时发现, 所以常常到建筑完成多年, 建筑商早就拍屁股走人后才发生巨灾。

2010年海地强震损失惨重，问题就出在房屋兴建不当和混凝土质量欠佳。据估计，当时有二十五万间房屋倒塌, 三十多万人死亡，上百万人无家可归。更糟糕的避海地并非特例，全球各地都有这种混凝土不定时炸弹。

追査人为疏失有时很难，因为混凝土从外表看来一切都好。美国肯尼迪机场的主任工程师曾在进行例行查核时,发现中午前送来的混凝土凝固后强度很够, 中午过后不久送来的混凝土却弱了许多。他不晓得这是怎么回事，追查了所有可能原因也找不到答案，直到他跟着水泥车到机场才恍然大悟。他发现水泥车司机在中午时通常会休息吃饭，然后用水管为混凝土加水，因为司机以为加水能让混凝土维持液态更久。

碎片大厦的工人在挖土兴建地基和支承架构时, 发现了现代混凝土的前身, 也就是罗马混凝土。旧南华克大楼旁有一家我常去的炸鱼薯条店,  工人拆除店面时挖到了古罗马浴池遗迹，那些混凝土就是在那里发现的。古罗马人很幸运，不用亲自实验把不同比例的岩石粉末加温至白热，因为拿坡里附近一个叫作波佐利（Pozzuoli）的地方就有现成的水泥。

波佐利臭气熏天，真的很臭。这个意大利地名来自拉丁文putere,  意思就是发臭，气味是从附近火山砂传来的硫黄味。往好处想，这一带数百万年来接收了大量的岩浆、火山灰与浮石。火山灰来自火山口喷发的过热硅酸岩， 过程很可能跟现代水泥的制程类似。古罗马人只需要忍受臭味， 把数百万年来堆积的火山岩粉末挖走就好。这种天然水泥和现代的波特兰水泥略有不同，需耍添加石灰才能凝固。然而古罗马人一旦搞清楚这一点， 并掺入石头增加强度，他们就成为人类史上第一个拥有混凝土这个独一无二建材的民族。

砖造建筑的组合特性是它受欢迎的原因。砖是砖造建筑的基本单位，刻意做成手掌大小，以利单人作业。混凝土和砖非常不同，它起初为液体。这表示混凝土建筑可以用浇注法做出连续体结构，从地基到屋顶一气呵成， 没有任何接点。

浞凝土工程师的绝招是：你要地基，我们就灌地基给你；你要柱子，我们就灌柱子；要楼面就灌楼面。你要两倍尺寸？没问题； 想要弧面？当然可以。只要开得了模，混凝土什么结构都做得出来。混凝土的威力清晰可见，造访过建筑工地的人都会爱上它。我一周又一周，都会从碎片大厦工地的观察窗往里看，看得心荡神驰。我看见大楼从地基缓缓兴起，由蚂蚁般的工人一点一滴浇注而成。岩石和石块粉末送到工地，只是加水就成了石块。这不只是工程技术，更是一种哲学、一种圆满。这个圆从地幔经由造山运动生成岩石和石块开始，再由人类接手，把石头和岩石挖掘出来， 按照人类的设计转变成人造的地景，变成高楼大厦，让我们在其中居住和 工作，成就这一个循环。

混凝土的问世，让建筑师的想象力得以尽情驰骋。古罗马人发明混凝土后，立刻明白可以用它来奠立帝国的根基。他们可以在任何地方兴建港口，因为混凝土在水下也能凝固。他们还可以兴建沟渠和桥梁，而这些基础建设又能把混凝土运送到任何有需要的地方，不必仰赖当地的石头和黏土。因此，混凝土很适合打造帝国。不过，古罗马最宏伟的混凝土工程就在首都，也就是罗马万祌殿的穹顶（下图）。它完工两千年来始终屹立不倒，至今仍是世界上最大的无钢筋混凝土圆顶建筑。

万神殿没有因为罗马帝国衰亡而颓圮，但混凝土却销声匿迹了。古罗马停止制造混凝土后，这个世界有一千多年不曾出现混凝土建筑。这项材料技术亡佚的原因至今成谜，可能因为制造混凝土是专门技术，需要技术发达的帝国才能支持，或者因为它没有结合某种技能或工艺，例如打铁、石刻或木工，以至于没有代代流传，也可能是因为罗马混凝土虽然好用， 却有个致命的缺陷，而古罗马人虽然晓得，却无法解决。

有两种方法让材料断裂。首先是“塑性断裂”，例如把口香糖拉断就是这样。材料受拉扯后会产生晶格重排而导致延展，使得中间越来越细，最后一分为二。绝大多数金属都可以用这种方法弄断，但因为必须移动许多位错，所以要非常费力才能做到，这也是金属的强度和韧度都高的原因。 另一个断裂法是“脆性断裂”，玻璃和茶杯破裂就是如此。这些材料无法借由流动抵消拉扯的力道，只要有一处脆弱就会破坏整体，使得材料断开或碎裂。混凝土碎裂即属此类，这让古罗马人伤透了脑筋。

古罗马人始终未能解决这个问题，只好限制混凝土的用途，只用在受压压缩而非受拉扯的结构体，例如柱子、圆顶或地基上，在这些地方的混凝土全都被结构的重量挤压着。在受到挤压的情形下，混凝土就算有裂隙也依然强固。造访有两千年历史的万祌殿，你会发现穹顶多年来已经出现不少裂痕，可能是地震或下沉所导致，但这些裂隙不会危害结构，因为整个穹顶都受到挤压。然而，古罗马人尝试用水泥兴建横梁或悬垂楼面时，由于这些结构必须承受弯曲应力，他们势必发现就算出现再小的裂痕也会造成崩塌。当裂痕两侧的建材受自身和建筑的重量拉开，就绝对无力回天。因此，想让混凝土发挥最大功效，像我们现在用它来兴建墙壁、楼面、桥梁、 隧道和水坝这样，就势必要解决这个问题。然而，解决方法直到欧洲工业革命兴起时才出现，而且来自非常出人意料的地方.

园艺家发明钢筋混凝土

巴黎园艺家莫尼耶（Joseph Monier）喜欢自己制作花盆。1867年时， 花盆都是陶瓦做的，非常脆弱易碎，而且造价昂贵，尤其不适合栽种在温室成长迅速的热带植物。混凝土似乎是更好的选择。它比陶土更容易制作大型花盆，又因为不需要放入窑中烧制，所以也便宜得多。但混凝土的韧度还是不够，因此莫尼耶制作的混凝土花盆还是跟陶瓦花盆一样容易龟裂。

莫尼耶想到一个方法，就是在混凝土里放入钢圈。他不可能知道水泥和钢材的键结极强，因为钢很可能就像放进醋里的油，完全不跟混凝土混合。 结果不然，混凝土里的硅酸钙原纤维不仅会吸附石头，也会吸附金属。

混凝土基本上是拟石材，以石头制成，外观、成分和性质也近似石头。但钢筋混凝土就不同了。它跟所有天然材料都不一样。混凝土得到钢筋的加强后，就算受到弯曲应力，也会由混凝土内的钢筋吸收，不会产生大裂缝。钢筋和混凝土合二为一，把原本用途有限的混凝土变成世界上用途最广的建材。

还有一件事莫尼耶当时也不晓得，不过却是强化混凝土的制胜关键。材料不是静态的，会因环境而变化，尤其受温度影响更大。大多数材料都会热胀冷缩，建筑、道路到桥梁，无不因日夜温差而胀缩，仿佛它们会呼吸一样。道路和桥梁的裂隙多半源自于此，如果设计时不将此纳入考量，累积的压力可能会让结构崩塌。任何工程师在推测莫尼耶的尝试结果时，都会认为水泥和钢差异太大，胀缩幅度非常不同，应该会导致结构解体，而且这样的花盆摆在冬冷夏热的花园里应该会碎裂。或许正是因为如此，才会没有工程师愿意尝试，反倒让园艺家来做了。

不过说来巧合，钢和混凝土的膨胀系数几乎完全相同，也就是两者的胀缩率几乎相同。这是个小小的奇迹，而莫尼耶不是唯一的发现者。一位名叫威尔金森（William Wilkinson）的英国人，也凑巧发现了这个神奇组合。钢筋混凝土的时代从此到來。

只要造访全球许多发展中国家，就会发现数以百万计的穷人住在用泥巴、木材或金属波浪板搭成的棚屋里，这些房子禁不起风吹雨打，而且日晒时非常炎热，下雨又会漏水或坍塌，时常遭暴风吹跨、洪水冲走，或被警察或当权者的推土机铲平。想建造一个能抵挡强风暴雨和权势者的家，建材不只要坚固，还得防火、防风和防水，更要便宜到人人都盖得起。

 

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