迷人的材料

• 闻夕felicity

  2016-08-23
  一般说来，钢筋混凝土内的钢筋暴露在风雨中是会锈蚀的，但混凝土内的碱性成分会在钢筋外表形成一层氢氧化铁成为保护膜。不过，随着时间拉长，建筑磨损、剥蚀和长年热胀冷缩，会让混凝土出现小裂痕。这些裂痕会让水分渗入，而水分一旦结冻就会膨胀，导致裂痕加深。这种磨损和侵蚀是所有石造建筑的宿命，也是山的宿命，也就是风化侵蚀的原因，为了防止石材或混凝土结构受到损害，这种建筑物每50年就得养护一次。不过，混凝土还可能遇到一个更严重的威胁，就是大量的水渗入混凝土，开始侵蚀钢筋，导致铁锈在混凝土内部扩散，造成更多裂隙，破坏整个钢筋结构，盐水更容易造成这种伤害，因为它会破坏氢氧化铁形成的保护膜，让钢筋大量锈蚀，寒冷地区会以撒盐清除积雪和结冰，所以当地的混凝土桥梁和道路经常接触到盐，特别容易受到这种长期破坏，伦敦汉默斯密（Hammersmith）高架道路的混凝土最近也发现类似的锈蚀。全世界有半数建筑是混凝土结构，这使得养护成了大工程，而且越来越重要。更糟的是，许多混凝土建筑都位于我们根本不想经常造访的地方，例如连接瑞典和丹麦的松德海峡大桥或核电厂内部。遇到这种情形，混凝土最好能自养护和自愈合。这种混凝土现在有了，虽然还在起步阶段，但已经证实有效。自愈合混凝土来自科学家的发现他们研究生活在极端环境下的生物，结果发现了一种细菌，它们生活在火山活动形成的强碱湖泊底层。这些湖泊的酸碱值为9到11，这个碱度会灼伤人类皮肤，因此不难想见科学家之前一直认为这些硫黄湖里不会有生物。然而详细调查发现，生物的适应力远高于我们的想象，如嗜碱细菌便能生活在这类环境中。科学家发现，其中一种名为巴氏芽孢杆菌（Bpasteurii）的细菌会分泌方解石，而方解石正是混凝土的成分之一科学家还发现这种杆菌非常顽强，能在岩石里蛰伏数十年。自愈合混凝土就含有这种杆菌，并掺入杆菌会吃的某种淀粉。这些杆菌平常处于蛰伏状态，被含水...
• 闻夕felicity

  2016-08-23
  ……几乎几天就能盖好一层楼。工人能做到这一点，靠的是不断浇注混凝土。水泥车把混凝土运到工地，然后灌入建筑最顶端的板模里。楼层的大小和形状搭成，里面先架好钢筋作为水泥大楼的骨架。楼面浇注完成后，就卸除板模往上搬，预备浇注下一层楼面，如此不断重复，碎片大厦也越来越高，据我估算，成长速度为每天三米。最神奇的是，我觉得这个循环似乎能永远继续下去，只要把板模往上搬，，然后再浇注混凝土就成了，感觉就像小树新生的枝丫一样。不过，这个循环目前是有极限的。迪拜哈里法塔的高度几乎是碎片大厦的三倍，工程人员发现，要用机器把混凝土垂直打到工地顶端，是很棘手的问题。不过，这个方法还是非常天才的。这种机械化的建筑方法让混凝土成为极现代的建材，可以通过浇和浇灌，迅速盖起庞大的建筑。过去的巨型建筑都需要几十年才能盖完，例如欧洲的石造教堂或中国的万里长城：第一高楼碎片大厦的主结构只花了不到六个月就完成了。混凝土让人更敢想象与尝试，也使得土木工程师的梦想得以实现。美国胡佛水坝、法国米约高架桥和俗称“意大利面条路口”的英国格瑞夫里山立体交叉桥，都是钢筋混凝土的杰作。有一天，碎片大厦不再长高了，几天后外层板模也消失了，只剩下7？楼的混凝土尖塔兀自耸立，灰暗、粗糙，和新生儿·样布满皱纹。工程再度从底端开始，让伦敦最新的水泥尖塔默默迎风摇摆，仿佛无所事事地俯瞰底下的人类如蚂蚁般在它脚边走动。但它其实没闲着。混凝土里的含水硅酸钙原纤维正不断增长交错，键结钢筋与石块让尖塔变得更稳固。虽然混凝土遇水后24小时内就会变得够硬，但这人造岩石的内部构造还需要好几年的发展潜能才会完全发挥。在我下笔的此刻，碎片大厦里的混凝土主结构还在变硬变强，只是隐而不显。
• 闻夕felicity

  2016-08-23
  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等。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（WillimwilknSOn）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来。
• 闻夕felicity

  2016-08-23
  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，更糟糕的是海地并非特例，全球各地都有这种混凝土不定时炸弹。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，需要添加石灰才能凝固，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，混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...
• 闻夕felicity

  2016-08-23
  混凝土永远不会干，因为水是混凝土的一部分。混凝土凝固时会和水作用，引发连锁化学反应，在混凝土内部形成复杂的微结构，因此就算里头锁住了许多水分，混凝土的外表不仅看起来干燥，而且实际上还能防水。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。硅酸盐是硅氧化合物，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，必须先断开碳酸钙和硅酸盐的化学键。要做到这一点没那么容易，碳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℃的高温，森林大火回燃烧木炭至火焰呈红色或黄色，温度也只有600℃到孔0℃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...
• 闻夕felicity

  2016-08-23
  报纸的式微不仅会改变国家与城市之间信息的交流方式，也会影响生活习惯。翻报纸的寨宰声将不再是周日早晨的背景音乐，报纸也将不再被垫在泥巴鞋子底下、折好放在车站长椅上、粉刷墙壁时铺在地板上或拿来包装贵重物品，也不会被揉成一团当火种或拿来丢向兄弟姊妹闹着玩。这些都不是报纸原本的用途，却是这个有用而备受喜爱的居家物品的一部分。我们一定会怀念它的。
• 闻夕felicity

  2016-08-23
  人类工程史上常常有这种事，一项技术已经发明了好一阵子，原本一直乏人问津却突然间流行了起来。电子纸也是如此，它是使用真实墨水显示文字的平面屏幕，主要是想仿效实体书那样，使用反射光来阅读。而电子纸和真纸的差别在于可以数字调控，文字能近乎瞬间显示。要是加上计算机晶片，就能储存和显示数百万本书。这项技术需要把墨水转变成所谓的亚努斯粒子，也就是把墨水粒子染色，一面染成黑色，另一面染成白色，然后两面各带相反的电荷，一正一反，这样电子纸上每个像素都可黑可白，只要调整电荷即可。亚努斯这个名字来自古罗马的变迁之神，他有两张脸，经常跟门户或入口的意象联结在一起，由于亚努斯粒子是实体的墨水，切换文字时粒子必须旋转，因此无法像平板计算机或智能型手机的液晶屏幕那样瞬间显示，也就无法播放电影或其他时髦的玩意儿。不过电子纸有一种舒服的复古感，可能更适合阅读文字
• 闻夕felicity

  2016-08-22
  为了防止伪造，纸钞有几项绝活，首先，它使用的材料和一般用纸不同，不是木质纤维素，而是纯棉棉不仅能让钞票更强韧，不怕会在雨中或洗衣机里分解，还改变了钞票的声音，清脆声是纸钞最明显的特征之一。不过，纸钞还有一项防伪绝活，那就是水印，水印是嵌在纸钞里的图形或图案，唯有透光时才看得见，也就是你得拿起纸钞对着光来看。虽然叫作水印，但它不是水渍也不是墨痕，而是稍微改变棉的密度，使得纸钞的某些部分较亮、某些较暗，形成特殊的图形或图案。在英国，钞票上的水印是女王的头像。
• 闻夕felicity

  2016-08-21
  这是因为感热纸上的字不是用墨水印出，而是由纸上预涂的酸剂和“无色”染料作用得来的，只要纸张受热，酸和无色染料就会发生反应，使染料变黑，有了这项精巧的纸张设计，机器就永远不会断墨，不过，变黑的染料放久了又会回复透明，使字迹变淡，湮灭掉我们曾经餐餐以咖喱配啤酒的证据。尽管如此，马莎百货还是好心建议我们“请保存发票”，而我也乖乖照办。
• 闻夕felicity

  2016-08-21
  直到20世纪，科学家才对钢有深入的了解，这实在很怪，因为锻铁这门技术已经代代相传了数千年。即使在19世纪，人类对天文物理和化学已经有了惊人的理解，工业革命所仰赖的铸铁和炼钢还是全凭经验，靠的是直觉，仔细观察和大量的运气。在石器时代，金属非常罕见，因此备受珍惜。铜和金是当时仅有的金属来源，因为地壳上只有这两种金属是自然存在的（其他都必须从矿石中提炼），只是数量不算多。地壳上也有铁，但绝大部分来自天上的陨石。
• phoenie

  2016-07-30
  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等座位，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，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...
• Edean

  2019-11-27
  巴氏芽孢杆菌会分泌方解石，而方解石正是混凝土的成分之一
• 串串麻辣烫

  2022-09-24
  对热恋中的情侣，先测量情侣接吻时的脑部活动和心跳速率，再记录他们分别吃巧克力时的脑部活动和心跳速率。结果发现，接吻虽然会让心跳加速，效果却不如吃巧克力那么持久。研究还显示巧克力开始在口中熔化时，大脑所有区域得到的刺激，比接吻带来的亢奋还要强烈和持久。虽然只有这一项研究，却支持了前述的说法，也就是对许多人而言，吃巧克力的感觉比接吻还好。
• 串串麻辣烫

  2022-09-24
  纸会泛黄和分解很令人困扰，但就和其他古物一样，岁月的痕迹也为纸添加了权威与力量。旧纸张的味道、色泽与触感让人一下子就能回到往昔，于是也成为通向过去世界的大道。
• 布莱克猫斯

  2018-09-19
  由于缺乏玻璃技术，东方就算工业发达，也未能发明望远镜和显微镜，这些物品都要等到西方传教士引入时，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发生科学革命。
• 闻夕felicity

  2016-08-21
  金属只要掺入少量其他物质就会改变性质，这是研究金属的乐趣所在。以金银合金为例，你可能好奇银原子到哪里去了，答案是，银原子就嵌在金块的晶格里，占去一个金原子的位置。正是因为银原子的取而代之金子才会变硬。合金通常比纯金属坚硬，原因很简单：外来原子的大小和化学性质，都跟原本的金属原子不同因此嵌入后会扰动原本金属晶体的物理和电子结构；产生一个关键后果—让位错更难移动。位错更难移动，晶体形状就更难改变，金属也就更坚硬。因此，制造合金就成为防止位错移动的一门技艺。在自然界中，其他晶体里也会发生原子取代。纯氧化铝晶体是透明的，但只要其中含有铁原子就会变成蓝色，也就成为俗称的蓝宝石，同理，纯氧化铝晶体包含了铬原子也会变色，成为红宝石。从黄铜时代青铜时代到铁器时代，在文明不断发展中，合金也越来越坚硬黄铜很软，属于天然矿产，而且容易熔冶，青铜比黄铜坚硬许多是铜的合金，含有少量的锡，偶尔还包括砷，因此如果手上有黄铜又知道方法，只需要费一点功夫就能做出强度和硬度都比黄铜高十倍的武器和剃刀，唯一的麻烦是锡和砷非常稀有青铜时代的人开发了许多精心找出的贸易路线从康瓦尔和阿富汗等地运送锡矿到中东各文明的中心，就是为了这个目的，
• 闻夕felicity

  2016-08-21
  人类从几千年前发明农耕以来就在使用陶瓷，然而陶瓷用久了容易有缺口、发生龟裂，甚至在不该破的时候摔得粉碎。我们为何不改用更坚固的材料，例如塑料或金属来制作碗盘和杯子？陶瓷在物理上有这些缺点，我们为何还对它不离不弃？许多领域的学者都在问这个问题，例如考古学家、人类学家、设计师和艺术家，但有一门学科专门有系统地研究人对材料的感官反应，并且发现了许多有趣的现象，那就是心理物理学。例如针对“酥脆感”所做的研究显示，我们觉得某些食物好吃与否不只是跟味道有关，还跟品尝时的声音有关，两者同样重要。这让不少厨师受到启发，开发出具有音效的餐点，而某些薯片商更进一步，不仅让产品更酥脆，还让包装更会发出声音。我在介绍巧克力那一章会讨论材料的心理物理学意义，同时说明材料的感官性几百年来一直是人类发明创造的主要动力
• 麦心

  2016-03-14
  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。
• 串串麻辣烫

  2022-09-24
  情书却也让分手变得艰难，因为信中文字就如同合照里的影像，会永远留存在纸上，对心碎的恋人是一场酷刑，对决定分手的一方则如芒刺在背，就算没有凸显他的移情别恋，也诉说着他的昨是今非。幸好纸是含碳的东西，对所有想要摆脱情伤的人来说，都有一个最好的方法。这方法需要的东西不多，就是一根火柴。
• 的的咔咔湖

  2015-09-21
  纸有非常适合凹折与弯曲的力学构造。大力折纸会让该部位的纤维素纤维断裂，产生永久的弯折，但仍有足够的纤维没有受损，使得纸张不至于撕开或断裂。这种情况下，纸其实还是很难撕裂，但只要折痕边稍有破口， 出现小小的施力点，很容易就能沿着折痕轻松撕开。这两项特点让纸可以凹折成任何形状，几乎没有其他材料可以媲美，也促成了折纸艺术的出现。金属箔膜可以折出折痕，但不是很好弄；塑胶板除非够软，否则无法保持折痕，但太软了又会失去包装东西所需的刚性，无法定形。正是由于纸能维持弯折又可以定形，使得它成为包装礼物的完美选择。用纸包装礼物利落又光鲜，凸显了礼物的崭新与价值。它够强韧，能在运送途中保护礼物，又够好撕，连小宝宝也扯得开。撕开包装纸的那一刻， 礼物瞬间从秘密变成了惊喜。拆礼物就和出生一样，让东西有了新的生命。