巧克力、石墨、陶瓷……这些迷人的材料成就人类渴望,像十四行诗一样复杂与美好2019-10-08来源 : 信息快讯网
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材料是人类科技与文化的展现。如果你正走在繁华的街道上,想象一下拿掉混凝土、玻璃、织物、金属和其他材料,那会怎样?少了物质材料,我们可能很快就得和其他动物一样为了生存而搏斗。因为,是衣服、住宅、城市和各式各样的“东西”让我们成为人。材料展现并满足了人类的需求与渴望,我们发现材料、制造材料,而材料让我们成为我们。

在新作《迷人的材料》一书中,伦敦大学材料科学教授米奥多尼克以渊博的知识和富有感染力的文字,不仅披露了各种物质背后的神奇结构,还告诉我们隐藏在背后的精彩故事。

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【制作巧克力技术之复杂不亚于钢铁】

巧克力的设计就是要入口即化,它是集数百年厨艺和制造技术的巅峰之作。当初制造商只是想创造一种新的热门饮品,跟茶和咖啡分庭抗礼,可惜一败涂地。直到他们发现热巧克力直接入口比放在锅里更可口,也更受欢迎,这才扭转局面。制造商发明了一种固体饮料,而这都要归功于他们对结晶的认识与调控,尤其是可可脂结晶。

可可脂是植物界最精致的油脂之一,跟牛油和橄榄油不分轩轾。纯可可脂外观近似精致的无盐奶油,不仅是巧克力的基底,也是高级面霜和乳液的基本成分。别吓坏了,脂肪对人类的贡献本来就不只是食物,还可以用来制作蜡烛、乳霜、油灯、亮光剂和肥皂。不过,可可脂有几点非常特别:

首先是它的熔点和人体温度接近,表示它平常可以以固体方式存放,跟人体接触时才会融化,因此很适合制作乳液。此外,可可脂含有天然的抗氧化成分,可以防腐,存放多年也不会变质。相较之下,牛油的保鲜期只有几周。

接下来,巧克力里的各种成分摆脱了可可脂晶格的羁绊,开始涌向味蕾。原本封在固态可可脂里的可可粉重获自由。黑巧克力通常含有50%的可可脂和20%的可可粉(包装上会标示为“70%”黑巧克力),剩下的几乎都是糖。30%的糖非常多,相当于直接吞下一匙糖粉。不过,黑巧克力感觉不会太甜,甚至完全没有甜味,因为除了可可脂融化释出糖分外,可可粉也会释出生物碱和酚树脂,也就是咖啡因和可可碱分子,味道都非常苦涩,会活化苦味和酸味感受器,抵消掉糖的甜味。巧克力制造商的首要工作就是调和这些味道,创造出均衡的滋味。

把发酵烘烤过的可可豆磨碎后倒入热水中,就会得到中美洲部落常喝的“巧克拉托鲁”。奥梅克人和后来的玛雅人最早种植可可豆,也最早发明热可可,并且将之当成祭奠用品长达数百年,甚至曾当成货币。欧洲探险家在17世纪取得这种饮品后立刻引进回国,在咖啡馆里跟茶和咖啡一较高下,抢夺欧洲人的味蕾,结果铩羽而归。因为他们忘了“巧克拉托鲁”的原意是苦水,而且就算加了非洲和南美蓄奴种植业制造的廉价砂糖,味道还是一样有渣滓感且厚重油腻,因为可可豆里有一半是可可脂。这样的情况持续了两百年。热可可虽然有名,又有异国风味,却不怎么受欢迎。

不过,几项制造工法的发明却让巧克力的命运就此改变。首先是荷兰巧克力公司梵豪登于1828年发明的螺旋压滤机。发酵和烘烤过的可可豆经过这台机器碾压后,会滤出可可脂,把它和可可豆颗粒分离。可可豆去除脂肪后,就能磨成更细的可可粉,使得冲泡后的渣滓感消失,变得如丝绒般滑润顺口。用这种可可粉冲出的热巧克力大获好评,一直风行至今。

接下来的事只有违反直觉的天才才想得到:分离并纯化可可脂后,也把可可粉磨细了,何不把两者再混在一起,然后加上糖,创造出完美的可可豆,那种你希望就长在树上,糖、巧克力和脂肪混合得恰到好处的可可豆呢?就像来到罗尔德·达尔笔下的威利·旺卡巧克力工厂一样?

比利时、荷兰和瑞士都有巧克力商不断朝这方面研发,然而最后却是一家名叫弗莱氏的英国厂商做出了“用来吃的巧克力”,制造出世界第一条巧克力棒。纯化的可可脂融在口中会释出可可粉,瞬间让人感觉有如尝到了热巧克力般。这种口感绝无仅有。由于可可脂的分量能独立控制,不受可可粉和糖的影响,因此制造商可以创造出不同的滋味,满足不同的喜好。当时冰箱还没发明,而可可脂含有抗氧化成分,能让巧克力商品在架上长久保存。巧克力产业就此诞生。

制作巧克力所需的技术之复杂与高明,绝对不亚于钢铁和混凝土。人类凭着惊人的智慧,把这个平淡无奇、味道令人作呕的热带果实,变成冰冷、坚硬而易碎的固体,就为了让它达成一件事:融于口中,用温暖、芬芳、苦中带甜的滋味填满我们的口腔,活化大脑的快乐中枢。科学对它的理解再多,还是无法用言语或方程式表露其万一。巧克力就像一首诗,跟十四行诗一样复杂与美好。这就是为什么古希腊人会称它为theobroma,因为巧克力确实恰如其名。Theobroma的意思就是“神吃的食物”。

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【钻石其实并不“恒久远”,最终都会变成石墨】

碳原子有很多选择,最简单的就是把四个电子跟另一个碳原子分享,形成四个化学键。这可以化解四个电子的活性,每个电子都有来自另一个碳原子的电子与之配对,形成非常稳固的晶体结构,也就是钻石。目前人类发现的最大钻石位于银河系巨蛇座的巨蛇头,它是脉冲星PSR J1719-1438的卫星,体积为地球的五倍。相较之下,地球的钻石小得可怜,最大也只跟足球差不多,这颗钻石来自南非卡利南矿场,于1907年献给英王爱德华七世祝寿,目前属于英国王室的加冕珠宝。

20世纪以前,只有富商巨贾买得起钻石,但欧洲中产阶级兴起后,让采钻者看到了诱人的新商机。戴比尔斯公司于1902年掌握了全球90%的钻石产量。对他们来说,如何把钻石推销到更大的市场,却又不会贬损其价值是最大的难题。这家公司靠着高明的营销手腕克服了这一点。他们发明了“钻石恒久远”这句广告词,灌输世人唯有钻戒才能表达坚贞的爱情的观念。凡是希望爱人相信自己真心诚意的男人都应该买一只钻戒,而且越贵越能代表真心。

然而,钻石并不久远,至少在地表上无法达到永恒。它的同胞兄弟石墨其实更稳定,钻石最终都会变成石墨,就连收藏在伦敦塔里的“非洲之星”也不例外。虽然得花上几十亿年才会看见钻石的改变,但对拥有钻石的人来说,这或许仍然是令人难过的消息。

石墨的构造跟钻石完全不同,石墨是碳原子以六角形联结成的层状结晶,构造非常稳定坚固,碳原子间的键结强度也高过钻石。考虑到石墨通常被当成润滑剂或铅笔的笔芯,它的碳原子键结强过钻石,还蛮令人意外的。

这个问题不难解释。石墨层内部的每一个碳原子,都跟另外三个碳原子共享四个电子,而钻石内的碳原子则和四个碳原子共享电子。这使得石墨层的电子结构跟钻石不同,虽然化学键更强,但缺点就是层与层之间缺乏多余的电子形成稳固的联结,只能靠材料世界的万用胶支撑,它是分子电场变动产生的弱吸引力,称为“范德华力”。仔细观察铅笔的石墨笔芯,就会发现它是深灰色的,并带有金属光泽,难怪几千年来一直被人误认,称它为“笔铅”或“黑铅”,而“铅”笔也是因此得名。分不清铅和石墨情有可原,因为两者都是软金属。

由于石墨不断出现新用途,例如非常适合铸造炮弹和枪弹,使得石墨矿也越来越值钱。17世纪和18世纪,石墨在英国贵得出奇,甚至有人挖掘秘密通道潜入矿坑偷取石墨,或是到矿场工作时乘机私下夹带。石墨的价格飙涨,走私和相关犯罪也不断增加,直到英国议会1752年通过立法对窃取石墨者处以重刑,最高可判一年劳役或流放澳洲七年,才遏止了这股歪风。

不过,钻石的崇高地位除了受到石墨的强力挑战,还面临另一个打击,那就是它并非世上最硬的物质。1967年,人类发现碳原子还有第三种排列方式,能形成比钻石还坚硬的物质。这个物质名叫六方晶系陨石钻石,结构以石墨的六角形平面为基础,只是改为立体构造,据称硬度比钻石高出58%。没有人用六方晶系陨石钻石做成婚戒,但发现碳的第三种排列方式还是不免引来好奇,除了钻石的立方体结构,煤炭、黑玉、木炭和石墨的六角形结构及六方晶系陨石钻石的三维六角形结构之外,会不会还有其他的排列方式存在?

感谢航空工业,第四种排列方式很快就有人合成出来了。他们为这个材质命名为碳纤维,方法是把石墨纺成细丝。细丝织成布料再纵向卷起,就会有极高的强度和硬度。不过它的弱点跟石墨一样,就是仍然要依靠范德华力,但这问题只要用环氧胶包住纤维就可以解决了。于是一种全新的材质就此诞生,那就是碳纤维复合材料。虽然碳纤维日后确实取代了铝成为制造飞机的材料,但这中间耗费了不少光阴。体育用品制造商可是立刻就爱上了这个材料。它一举提升了球拍的效能,使得死守铝和木材等传统材质的球拍,很快就被超越了。

碳原子几乎一夜之间成了材料科学最热门的研究对象。物理学家海姆和他的团队提出了一个疑问:既然这些新的碳原子排列方式都以石墨的六角形结构为基础,而石墨本身又是一层层六角形平面堆栈而成的,那为何石墨不是我们在找的魔术材料?答案是,六角形平面状的石墨层太容易彼此松动,使得石墨非常脆弱。但要是只有一层石墨层呢?那会是什么状况?海姆的团队后来拿到诺贝尔奖不是因为做出了单层石墨,而是发现单层石墨的性质非常特别,就算放在纳米世界中也一样奇特,应该将它视为一种新材质,并且取个名字。他们决定叫它“石墨烯”。

简单来说,石墨烯是世界上最纤薄、最强韧和最坚硬的物质,导热速度比目前已知的所有材料都快,也比其他物质更能载电,导电更快、电阻更小。此外,石墨烯还允许克莱因隧穿效应。克莱因隧穿效应是一种奇异量子效应,物质内的电子可以自由通过(隧穿)势垒,仿佛障碍完全不存在。这表示石墨烯很有潜力成为迷你发电厂,取代硅芯片成为所有数字运算和通信的核心。

石墨烯也许比钻石更有用处,但它不会熠熠生辉,它薄得几乎看不见,而且只有二维平面,这些都不是世人眼中真爱的特质。因此,除非哪天营销公司看上石墨烯,否则立方晶体结构的碳依然会是女人最好的朋友。

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【中国的骄傲与图腾——瓷器】

陶瓷的崇高地位由来已久,比纸、塑料、玻璃和金属都要久远。故事起自人类把河床的黏土放入火中,发现黏土不只会变干,还会产生质变,从原来的湿湿软软变成坚硬的新物质,性质几乎跟石头一样,不仅坚硬、强韧,而且能塑形做成贮藏谷物和取水的容器。没有这些容器,农业和屯垦就不会出现,现有的人类文明也不可能发端。这些素朴的容器在一万年后得到了“陶器”的称号。

然而,这些早期的陶器其实并不像石头,它们的质地脆弱且易碎,摸起来粗糙并容易渗漏,放在显微镜底下看,它们的表面都是小洞。

陶瓷不同于金属、塑料或玻璃,无法熔解和浇铸。但更正确的说法是,没有其他材质能承受陶瓷熔化时的高温。陶瓷的成分跟山峦及岩石一样,熔解后就成了岩浆或熔岩。但就算能取得熔岩并灌入铸模,也无法制造出强韧的陶瓷,至少绝对不是你认得的,或用来泡茶的那种。熔岩当然只会形成火山岩,充满孔洞与瑕疵,需要历经地底深处数百万年的高热与高压,才会转变成所谓的火成岩,建构起高山和丘陵。因此,想制造取代岩石的人造物就只有两条路:一条是利用化学反应,也就是水泥和混凝土造成的作用;另一条是像制作陶器一样,在窑里加热黏土,但不是把黏土熔化,而是利用结晶的一个特殊性质。

东方的陶匠最先解决了陶器多孔和易碎的问题。他们发现只要在土坯上覆盖一种特别的灰烬,这些灰烬就会在加热时变成玻璃态涂层附着在陶器表面,把土坯外层的孔洞都封住。改变釉粉的成分与上釉部位,就能为陶器上色和装饰。这不仅能让陶器防水,更开启了陶器装饰的新境界。

上釉能防止水分渗入,却仍无法解决瓷砖内部孔隙过多的问题,而这正是裂痕出现的原因。所以瓷砖还是相对脆弱,上釉的陶杯和陶碗也不例外。这个问题还是由中国人解决了,不过靠的是发明一种全新的陶瓷。

两千年前,东汉的陶匠想要改善自己做出的陶器,开始进行实验。他们不仅尝试各种不同的黏土,还自己调配黏土,加入各种河里黏土不会有的矿物质。其中一种矿物质就是白色的高岭土。为什么要加高岭土?没人知道。或许纯粹出于实验精神,也可能因为陶匠喜欢高岭土的颜色。

他们显然试过各种混合,最后终于发现一种特殊配方,成分包括高岭土和一些其他矿物质,例如石英和长石,混合成一种白黏土,加热后会变成非常好看的白陶。这种陶并不比土器强韧,但和之前已知的黏土不同,只要把窑火加热到极高的1300℃,它就会发生奇怪的变化,成为外表如水的固体。这种白陶的表面近乎完全光滑,可以说是世上可见的最美的陶瓷,而且强度和硬度都远超其他陶瓷。由于强度极高,它可以制成极薄的杯碗,几乎和纸一样薄,却依然不容易产生裂痕。做出来的杯子近乎透明,相当细致,它就是瓷。

瓷结合强韧、轻盈、优雅和无比光滑的特质,成为它最强有力的条件,很快就和皇室连上了关系,成为财富和高雅品位的象征。但瓷还有另外一层意义。由于造瓷需要丰富的知识与技术,要能找到适当的矿物比例并建造可以产生高温的陶窑,瓷成为技巧与艺术完美结合的象征。瓷很快便从中国的骄傲变成了中国的图腾,成为国力的展现。自此之后,中国历朝历代都会有自己的官窑。

由于中国瓷器远优于其他陶器,使得中东和西方的商人一眼就晓得这些瓷器是多么有价值的商品。他们不仅引进瓷器,连品茶文化也一并引入中东和西方,使得瓷和品茶成为中国文化的代表,所到之处无不风靡。当时欧洲人还在使用木杯、锡杯、银器和陶杯,瓷器充分显现出中国在工艺技术上超出其他文明甚多。用上等瓷器招待客人品尝上等中国茶,立刻让你身价不凡。于是这个称为“白金”的精巧白瓷很快就成为庞大的生意。

由于瓷器贸易量太过惊人,许多欧洲人心想要是能自制瓷器,肯定能大赚一笔。然而,欧洲人始终不得其门而入。就算他们派人到中国刺探,瓷器制造依然是中国的不传之秘,令欧洲人妒羡不已。直到五百年后,一位名叫乔安·弗里德里希·贝特格的人被萨克森国王拘禁,令他找出制造瓷器的方法,否则人头落地,欧洲才终于做出了像样的瓷器。




编辑:郭超豪
责任编辑:王彦

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2019-10-16 20:41:13 1571229673