序章
走進神奇的材料世界

一刀引發的機緣

我站在地鐵車廂里，身上有一道13厘米長、后來被醫生診斷為利刃割傷的傷口在殷殷滲血，我心想：接下來該怎么辦？

那是1985年5月的一天，我在車門關上前跳進車廂，把攻擊者擋在門外，卻沒閃過他的一刀，背上被劃了一下。傷口像遭利紙割傷一樣劇痛，而我看不到傷勢有多重。但身為英國人，又是中學生，我心中的難堪壓過了應有的常識。因此我非但沒有呼救，反而決定最好悶不吭聲坐車回家。這么做很怪，但我就是那樣做了。

為了讓自己分心，別去注意疼痛和鮮血流過背部的不適，我試著回想剛才究竟發生了什么。那家伙在月臺上朝我走來，向我要錢。我搖頭拒絕。他突然湊得很近，讓人很不自在。他盯著我說他有刀，他說這話時噴了幾滴口水，濺在我的眼鏡上。我順著那家伙的目光望向他藍色連帽夾克的口袋，發現他一手插在口袋里，里面凸起了一塊。我直覺認為他只是虛張聲勢，凸起來的是他的食指。接著，我心里閃過另一個念頭：就算他有刀，也一定是很小的一把，這樣才塞得進口袋里，因此絕不可能傷人太重。我自己也有小刀，知道那種刀很難割穿我身上那么多件衣服，包括我引以為傲的皮夾克、灰色羊毛西裝制服、尼龍V領毛衣、白色棉襯衫，外加打了一半的條紋制服領帶和棉背心內衣。我腦中迅速浮現一計：繼續跟他說話，然后趁車門關上之前把他推開，趕緊上車。我看見車就快來了，確信他一定來不及反應。

有趣的是我猜對了一件事：他真的沒有刀。他手上的武器只是一把用膠帶纏住的剃須刀刀片。那一塊小鐵片不比郵票大，卻一口氣割穿了五層衣服，割破我的表皮和真皮，一點阻礙也沒有。我后來在警察局看到了那玩意兒，整個人愣傻了，如同遭催眠一樣。我以前當然見過剃須刀，但那一刻卻發現自己根本不了解它。我那時剛開始刮胡子，只看過嵌在比克牌橘色塑料刮胡刀里的刀片，那玩意兒感覺友善得很。警察問我兇器的事，我們之間的桌子微微晃動，刀片也跟著搖晃，映著日光燈熠熠生輝。我清楚地看見它的鋼刃依然完美無缺，下午那一番折騰沒有在上面留下任何刮痕。

我記得后來要填筆錄，爸媽焦急地坐在我身旁，不曉得我為何停筆不寫。難道我忘了自己的姓名和地址？其實我是在盯著第一頁頂端的訂書針瞧，很確定它也是鋼制的。這一小根其貌不揚的銀色金屬不僅刺穿了紙面，而且干凈利落，精準無比。我仔細觀察訂書針的背面，發現它兩端整整齊齊對折收好，把紙緊緊抱住。連珠寶匠也沒有這等功夫。我后來查到世界上第一把訂書機是工匠親手為法國國王路易十五打造的，每一根針上都刻著國王的姓名縮寫。誰想得到訂書機竟然有皇室血統？我覺得這訂書針真是“巧奪天工”，于是指給父母看。他們兩人對看一眼，面帶愁容，也許在想：這孩子一定是神經錯亂了。

我想是吧，因為怪事顯然發生了。那一天，我正式成了“材料迷”，而頭一個對象就是鋼。我突然對鋼超級敏感，發現它無所不在，其實只要開始留意，就會察覺確實如此。

我在警察局做筆錄時，發現圓珠筆尖是鋼做的；我父親焦急地等待時，鑰匙圈當啷作響，那也是鋼制成的；后來鋼還護送我回家，因為包住我家車子外殼的還是鋼，而且厚度比一張明信片還薄。說來也奇怪，那輛車子平常很吵，但我覺得它那天特別乖巧，仿佛在代表鋼為下午的事向我道歉。回家后，我和父親并肩坐在餐桌前，安靜地喝著母親煮的湯。我突然停下來，發現自己正拿著一塊鋼片放進嘴里。我把不銹鋼湯匙吸吮干凈，拿出來看著它發亮的表面。那勺面又光又亮，連我變形的倒影都看得見。“這是什么材質？”我揮動手里的湯匙問父親，“還有，它為什么沒味道？”說完，我把湯匙放回嘴里仔細吸吮，確定它是不是真的沒味道。

我腦中涌出了幾百萬個問題。鋼為我們做了那么多事，我們為什么幾乎不曾提到它？這材料和我們那么親密，我們把它含在嘴里、用它去除不要的毛發、坐在它里面到處跑，它是我們最忠實的朋友，我們卻幾乎不曉得它如此萬能的訣竅。為什么剃刀用來切割，回形針卻能隨意彎折？為什么金屬會發亮，玻璃卻是透明的？為什么絕大多數人都討厭混凝土而喜歡鉆石？為什么巧克力那么好吃？某某材料為什么外觀是那樣子、有那樣的性質？

材料構筑了我們的世界

自從那天被人割傷之后，我沉迷在材料里。我在牛津大學攻讀材料科學拿到博士，研究主題是噴氣發動機用合金，接著又到全球各地最先進的實驗室擔任材料科學家和工程師。我對材料越來越著迷，手邊收藏的特殊材料也越來越多。那些樣本如今都納入我跟同事兼好友賴芙琳（Zoe Laughlin）和康林（Martin Conreen）共同打造的材料館里。其中有些怪得離譜，例如美國國家航空航天局的氣凝膠，成分有99.8%是氣體，感覺就像固態煙霧；有些具有放射性，例如我在澳大利亞一家古董店很里面的角落發現的鈾玻璃；有些很小卻重得夸張，例如要千辛萬苦才能從鎢錳鐵礦中提煉鑄成的鎢條；有些雖然常見卻隱含不為人知的秘密，例如自愈型混凝土。這座材料館目前位于英國倫敦大學學院的制成研究中心，里頭收藏了上千種材料，呈現出建構我們這個世界——從住宅、衣服、機器到車輛的各種原料。你可以用它們重建文明，也可以用它們毀滅世界。

然而，我們還有一個更巨大的材料館，里頭收藏了數百萬種材料，這是已知最大的材料館，而且收藏數量一直呈指數增長——那就是人造物的世界。請看上頁的照片。這是我在我家屋頂喝茶的照片。這張照片非常普通，但如果仔細觀察，你就會發現它像一份名錄，列出了建構我們整個文明世界的各種材料。這些材料很重要。拿掉混凝土、玻璃、織物、金屬和其余材料，我就只能光溜溜地飄在空中發抖。我們或許自認為文明，但文明絕大多數得歸功于豐饒的物質。少了物質材料，我們可能很快就得和其他動物一樣為了生存而搏斗。因此從這個角度看，是衣服、住宅、城市和各式各樣的“東西”讓我們成為人（只要去過災區就知道我在說什么），而我們用習俗和語言讓它們具有生命。因此，材料世界不僅是人類科技與文化的展現，而且是人類的一部分。我們發明材料、制造材料，而材料讓我們成為我們。

文明時代就是材料時代

從我們對文明發展階段的劃分（石器時代、青銅時代和鐵器時代），我們就可以看出材料對我們而言有多么重要。人類社會的每一個新時代都是由一種新材料促成的。鋼是維多利亞時代的關鍵原料，讓工程師得以充分實現夢想，做出吊橋、鐵路、蒸汽機和郵輪。修建英國大西部鐵路與橋梁的偉大工程師布魯內爾（Isambard Kingdom Brunel）用材料改造了地景，播下了現代主義的種子。

20世紀常被歌頌為硅時代，是因為材料科學的突破帶來了硅芯片和信息革命。但這個說法忽略了其他五花八門的嶄新材質，它們同樣改寫了現代人的生活。建筑師運用大規模生產的結構鋼和平板玻璃建起摩天大樓，創造出新的都市生活形態。產品和服裝設計師用塑料徹底改變了我們的住宅與穿著。聚合物制造而成的賽璐珞催生了影像文化一千年來的最大變革，也就是電影的誕生。鋁合金和鎳超合金讓我們制造出噴氣發動機，使得飛行從此變得便宜，進而加速了文化互動。醫用和牙科陶瓷讓我們有能力重塑自己，并改寫了殘障與老化的定義。整形手術的英文是“plastic surgery”，而“plastic”既有“整形”又有“塑料”的意思。這顯示材料往往是新療法誕生的關鍵，從器官修補（如髖關節置換手術）到美化外表（如硅膠隆胸）都是如此。德國著名解剖學家馮·哈根斯（Gunther von Hagens）博士展出人體標本的“人體世界展”，也展現了新穎的生物醫用材料對文化的影響，促使我們思考自己生時和死后的物質性。

人類建構了物質世界。如果你想了解其中的奧秘，挖掘這些物質來自何處、如何作用，又如何定義了我們，那么這本書便是獻給你的。材料雖然遍布我們周遭，卻往往面貌模糊得出奇，隱匿在我們生活的背景中，毫不顯眼，乍看很難發現它們各有特色。絕大多數金屬都會散發灰色光澤，有多少人能分辨鋁和鋼的差別？不同的樹木差異明顯，但有多少人能說出為什么？塑料更是令人困惑，誰曉得聚乙烯和聚丙烯有什么差別？但更根本的問題或許是：這種事有誰在乎？

我在乎，而且我想告訴你為什么。不僅如此，既然主題是材料，是構成萬物的東西，那么我愛從哪里開始都可以。因此，我選了我在屋頂的照片作為這本書的起點和靈感來源。

我從照片中挑了10種材料，用它們來說“東西”的故事。我會挖掘這10種材料當初發明的動機，揭開其背后的材料科學之謎，贊嘆人如何用高明的技術把它們制造出來。更重要的是，我會說明它為何重要，為何少一物便不能成世界。

在發掘的過程中，我們將發現材料和人一樣，差異往往深藏在表面之下，大多數人唯有靠先進的科學儀器才能略窺一二。因此，為了了解材料的性質，我們必須跳脫人類的經驗尺度，鉆進物質里面。唯有進入這個微觀世界，我們才能明了為何有些材料會有氣味，有些則無；有些東西上千年不變，有些一曬太陽就發黃變皺；有些玻璃可以防彈，但玻璃酒杯卻一摔就碎。這趟微觀之旅將揭開我們飲食、衣著、用具和珠寶背后的科學，當然還將探索人體。

不過，微觀世界的空間尺度雖小，時間尺度卻常常大得驚人。就拿纖維和絲線來說，它們的尺寸和頭發差不多，是細得肉眼幾乎看不見的人造物，我們可以用它來制造繩索、毛毯、地毯以及最重要的東西——衣服。我們身上穿的牛仔褲以及所有其他衣服都是微型編織結構，而許多結構的式樣比英國的巨石陣還古老。人類歷史都記載衣服能保暖、庇護身體，還能穿出時尚，但衣服也是高科技產品。20世紀發明了強韌的纖維，讓我們可以制作太空服保護登陸月球的航天員，還有堅固的纖維可以制造義肢。至于我，我很開心有人發明了一種名叫“凱芙拉”的高強度合成纖維，可以制作防刀刺的內衣。人類的材料技術發展了幾千年，所以我會在書中不斷提到材料科學史。

本書每一章不但會介紹一種材料，而且會提供一個認識材料的不同角度。有些主要從歷史出發，有些來自個人經驗；有些強調材料的文化含義，有些則強調科技的驚人創造力。每一章都是這些角度的獨特混合，理由很簡單，因為材料有太多種類也太多樣，我們跟材料的關系也是如此，不可能一概而論。材料科學是從技術層面了解物質的最強大、最統合的理論架構，但重點還是關于材料，而不是探討科學。畢竟所有東西都是由別的東西制成的，而制造東西的人（藝術家、設計師、廚師、工程師、家具師傅、珠寶匠和外科醫生等）對所使用的材料都有屬于自己的情感、感覺和運用方式。我想捕捉的就是如此豐富多樣的材料知識。

例如，我在討論紙的那一章中用了許多角度，像快照一樣呈現，不只因為紙有各種形態，還因為幾乎所有人都在以許多方式使用紙。但在討論生物醫用材料的那一章中，我卻鉆入了“人類的物質自我”（也就是人體）的最深處。這塊領域正迅速成為材料科學的處女地，不斷有新材料出現，開啟了名為仿生學的全新世界，讓人體得以借助植入物而重建。這些植入物都經過設計，可以“聰明地”融入肌肉和血液的運作中。它們誓言徹底改變人和自我的關系，因此對未來社會有深遠的影響。

看不見的微觀世界影響大

由于萬物都由原子組成，因此我們無法不談原子的運作原理，也就是人稱量子力學的理論。這表示我們一旦進入微觀原子世界，就必須完全舍棄常識，開始談論波函數和電子態。越來越多材料從這個微觀尺度被創造出來，而且這些材料看起來幾乎無所不能。運用量子力學設計而成的硅芯片已經催生了信息時代，而以同樣方式設計的太陽能電池很有潛力，只靠陽光就能解決能源問題。不過革命尚未成功，我們還在使用石油和煤炭。為什么？在發電領域有一個明日之星——石墨烯，我會試著用它來解釋當下發電方式的局限。

簡而言之，材料科學的基本概念就是：看不見的微觀世界若有變化，那么在人的尺度之中，物質行為也會跟著改變。我們的祖先能做出銅和鋼之類的新材料，就是因為碰巧蒙到了這個過程。差別只在于老祖先沒有顯微鏡，看不見自己在做什么，但這只讓他們的成就顯得更加驚人。比方說，敲打金屬不只會改變它外在的形狀，而且會改變它內在的結構，因此若用某種方式敲擊，金屬的內在結構就會有所改變，使它變得更硬。我們的祖先從經驗中學到了此事，只不過并不知其所以然。人類的材料知識從石器時代開始就不斷累積，但直到20世紀，人類才掌握了材料的真正結構。然而，蘊含在鑄鐵和其他工藝里的經驗知識依然重要，而本書提到的材料也幾乎都是經由我們手腦并用才發現和認識的，因此認識材料不僅靠腦袋，而且靠雙手。

人在感覺和生活上都與材料建立了關系，這帶來了許多奇妙的結果。有些物質雖然有瑕疵，我們卻愛不釋手；有些材料很實用，我們卻深惡痛絕。就拿陶瓷來說吧，陶瓷是餐具的原料，我們的杯碗瓢盤都是陶瓷做的，無論家庭或餐廳，都少不了陶瓷。

人類從幾千年前發明農耕以來就在使用陶瓷，然而陶瓷用久了容易有缺口、發生龜裂，甚至在不該破的時候摔得粉碎。我們為何不改用更堅固的材料，例如塑料或金屬來制作碗盤和杯子？陶瓷在物理上有這些缺點，我們為何還對它不離不棄？許多領域的學者都在問這個問題，例如考古學家、人類學家、設計師和藝術家，但有一門學科專門有系統地研究人對材料的感官反應，并且發現了許多有趣的現象，那就是心理物理學。

例如針對“酥脆感”所做的研究顯示，我們覺得某些食物好吃與否不只跟味道有關，還跟品嘗時的聲音有關，兩者同樣重要。這讓不少廚師受到啟發，開發出具有音效的餐點，而某些薯片商更進一步，不僅讓產品更酥脆，而且還讓包裝發出聲音。我在介紹巧克力那一章會討論材料的心理物理學意義，同時說明材料的感官性幾百年來一直是人類發明創造的主要動力。

這本書當然無法涵蓋所有材料，也無法盡述材料和人類文化的關系，而是概略介紹材料如何影響我們的生活，并且闡述即使單純如在屋頂上喝茶的活動，也必須依賴復雜的物質網絡才能進行。各位不必到博物館就能領略歷史和科技如何推動人類社會的發展，它們的影響此時此刻就在你身旁，只是我們多數時候視而不見。我們必須視而不見，因為要是我們整天一邊用手指滑過水泥墻面，一邊發出贊嘆，肯定會被當成瘋子。但在某些機緣下，你會陷入沉思：我在地鐵站被人割了一刀的那一刻，就屬于那樣的機緣。我希望這本書也提供這樣的機緣，能讓你走進神奇的材料世界。