历史上极具影响力的10种材料

摘要: 如果没有木材、陶瓷、玻璃和铁等材料,我们的世界会是什么样子?

09-07 01:44 首页 材料馆

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如果没有木材、陶瓷、玻璃和铁等材料,我们的世界会是什么样子?如果没有这些重要的材料,人类文明的发展就不会如此地迅速。在这里,让我们了解一下从远古时期到21世纪对社会发展极具影响力的10种材料。


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木材


木材出现于石器时代之前。早期的人类离不开森林,木材是唯一一种伴随着人类历史发展而一直存在的材料,从数百万年前的非洲一直延续到现在。但这个简单的事实经常被考古学家们忽视,考古学家通常喜欢研究石材和砖等更耐用的材料。但曾经,我们的原始物质世界几乎全部是木材,原木、木棒、树皮、树枝、竹子及其他木质工具。



木质的多样性让其他材料无法媲美。木材遵循自然的设计,自然赋予木本植物多种强度、密度和柔韧性等特点。这要归功于木材的复合结构-通常由强纤维和韧性粘合剂组成,进而形成像橡木或角树一样密且重,像轻木一样软且轻,像柳树或月桂树一样具有柔韧性,像柚木或桃花心木一样坚硬不易变形的木材。

掌握木材加工技术让人类能够将河流和海洋从等阻碍变成道路;即使小木材也可用来建造栅栏、屋子和墙壁以及床、椅子、篮子和桶等生活用品。从20世纪开始,加工技术使木材的应用拓展到全新的形式,包括切片,层压板,实木颗粒和木质芯片等。


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陶瓷


在21世纪,我们通常不会考虑使用粘土烧制的盛食器具。但对考古学家来说,陶瓷存在与否是社会发展程度最基本的指标之一。在“无陶器”社会,几乎没有储存食物或水的方法。因此,在学会烧制粘土之前,社会的农业发展规模非常有限。

先将粘土成型,然后干燥硬化,但只有在足够高的温度下,粘土的化学性质和内部结构才会永久地改变,从而能够盛装液体,并在多种环境中保持形状。最早期的美索不达米亚、中国和印度文明不仅创造了实用的盛食器,还创造了五彩缤纷的瓷砖、雕像和首饰。将粘土与其他矿物材料混合,在加热后还能够形成明亮的色彩层——釉层。

令人难以置信的是,21世纪在实验室中发现的高温超导体等最先进的材料,均是陶瓷这种最古老的材料-。


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纤维和织物


因为织物在生活中无处不在,我们甚至不会想到织物也是一种重要材料,但它大概是人类掌握的第一种复杂制造技术。当自然界中的“纤维”存在数量有限时,并没有织物。像丝绸,棉花或羊毛等纤维却一直存在,但必须经过处理才能够制成织物。至于当时人们怎样学会把羊毛或山羊毛卷起来,怎样将数以百计的毛捻成丝线或纱线,以及如何学会将亚麻植物分离开再纺成亚麻布,这些都是我们早期历史的未解之谜。



在历史发展过程中,织物因其多样性而倍受人们喜爱。中国人可能在5000多年前就发现了可以利用蚕幼虫分泌出的丝来制作薄且精致布料的方法。约在同一时期,印度和埃及的布料制造商正在将棉花纤维纺成一种非常实用的织物,利用这种织物可以做成不同的纹理和样式。在世界许多地方,我们的祖先还发现可以将各种动物的毛做成柔软适合与人类皮肤接触的织物。

随着现代化学的应用,布料的多功能性和多样性并未降低。人们早期利用合成材料(如人造丝或涤纶)制成的衣服并不成功,而如今在衣柜里的织物通常并非来自农场。


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青铜


铜是人类广泛使用的第一种金属。这种金属通常从矿石中还原出来,质地相当柔软,使用上不具优势。青铜是铜与少量锡构成的一类铜合金,也是一种更加实用的形式。我们不知道早期的工匠们是如何发现青铜。但在数千年中对铜的使用会推动青铜的发现,在多个地区发现的青铜器物大约出现在5000到6000年前。


作为人们设计生产的第一种合金,青铜开启了广泛使用金属的时代,特别是武器。第一把剑便具有青铜刀刃,并且在使用过程中能够一直保持锋利的边缘,或许这就是青铜最有价值的属性。

因为青铜的构成元素并不常见,特别是锡元素,它们的出现很有可能是长途贸易的结果。甚至在古罗马时期以前,地中海地区见证了来自塞浦路斯国的铜与来自英格兰西南部康沃尔地区的锡的交易(注:塞浦路斯在希腊语中是铜的意思)。


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钢铁


即使在21世纪,也没有比铁更重要的金属了,而且铁已存在近3000年。铁矿石几乎分布在世界各地,不同工艺可生产出具有不同特性的材料。从历史上看,铁主要有三种应用形式:锻铁,铸铁和钢。工匠们完全依靠经验和观察,发现了这些形式并连续使用了几个世纪。人们直到19世纪才弄清楚它们之间的差异,尤其是碳的作用。



锻铁几乎是纯铁,兼具塑性和韧性,很容易锻造成形。铸铁的碳含量可能高达5%,铸铁与锻铁性能不同,可以在炭炉中熔化,浇注在模具,这种材料非常硬且脆。从历史上看,铸铁通常从高炉中生产,早在二千五百年前,中国金属工匠可能就已经掌握这项技术。

在20世纪后半段,钢是铁最重要的应用形式。实际上,钢包括许多种类,性能取决于碳含量(通常为0.5%~2%)和添加的其他合金元素。可以说,钢结合了锻铁的高韧性与铸铁的高硬度。因此,钢在历史上通常被用来制作刀片和弹簧。然而在19世纪中期以前,获得这种性能上的平衡需要高水平的工艺。但后来随着平炉冶炼和转炉炼钢工艺和新技术的出现,使钢更加廉价,产量更高,在许多领域的应用中,性能超过其他材料。


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玻璃



第一块玻璃的产生极有可能是一场意外。沙子进入窑炉然后融化了,这导致了一种类似于陶瓷材料同样具有冷脆性质的物质的发现,虽然实际上两者在结构和性质上是非常不同。我们理所当然地认为玻璃是透明的,但人类实际上花费了数百年的经验和实验才生产出真正意义上的透明玻璃。

玻璃是通过加热混有“助熔剂”的沙子(二氧化硅)来制成的,“助熔剂”是一种可以降低混合物熔点的矿物质(如碳酸钠)。玻璃的颜色或透明度取决于组分的纯度以及沙子和助焊剂的特殊比例。玻璃这种透明或半透明的材料是非常脆的,在物理上属于液体而非固体。也就是说,玻璃没有结晶结构,并且实际上是在“流动”的,虽然流动状态通常进行的非常缓慢以至于难以察觉。

玻璃纤维电缆现在是我们信息时代的支柱材料。


威尼斯人是第一批真正意义上能够制造透明玻璃的玻璃制造商,并且也在中世纪后期给精美玻璃制定了标准。在17世纪以前,玻璃因为价格十分昂贵,通常并不会应用在窗户上。直到19世纪的工业规模制造,玻璃才真正意义上得到了广泛的应用。这种材料的多功能性一直延续至今,而玻璃纤维的电缆现在构成了我们的信息时代的基石。


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在数千年之前,人类将他们的语言写在石头,粘土,木材,布,皮肤和其他表面上。尽管选择多样,且电子媒体也不断兴起,但一个没有纸的世界对于我们也是不现实的。纸是2000年前中国灿烂文化中最有创造性的发明之一。从植物、布料中得到纤维,通过浸润过滤掉腐烂部分,它们可以重构成随机缠结的片材。通过仔细的加压成片,直至干燥,之后用淀粉密封成型。最终得到不同柔韧度的纸张。纸的应用形式可以有很多,如日本用于灯笼的牛皮纸,用于墙面的壁纸等。


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塑料和橡胶


数千年来,我们的祖先便十分欣赏这么一小部分材料——它们表面光滑、颜色丰富,如象牙,玳瑁和喇叭等。这些材料可以制成小而奢华的物品,以实现其他材料难以表现的温暖和优雅。在十九世纪,随着市场的增长,加上对化学物质本质的理解和制造成本的降低,使得人造物质兴盛起来。第一种实现商业化的塑料是由硝化棉和樟脑制成的赛璐珞。当把这两者组合在压力环境下加热时,它可以转变成一种应用极其广泛的物质,从制造梳子、衣领到玩具娃娃、纸牌、以及乒乓球等成品。



在二十世纪,第一次使用塑料与其他物质相结合,得到的新塑料,相比于原来的塑料,通常拥有更好的性能。通常由煤或石油生产的副产品制成的新塑料,有时被制成更多的奢侈品。但是,这些材料的特性也使得它们在更多领域有所应用:如,电气设备,外壳材料,医用设备等。

与塑料密切相关的是橡胶,这种物质起初作为天然产品被南美早期探险家带到欧洲。 当地人使用巴西三叶草的乳液进行防水和制作弹跳球。欧洲人用干汁冲洗出铅笔痕迹(因此称为“橡胶”)。直到大约1840年,查尔斯?固特异才发现如何将橡胶制成一系列稳定的产品,并将其应用于从梳子到充气筏的一切产品。橡胶充气轮胎在20世纪被认为是汽车交通运输必不可少的产品,这种依赖性导致了合成橡胶的发明。


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几千年来,仅有少量的元素可被用于制作东西。除了用于金钱和首饰的贵金属之外,实用的金属有铅,铜、铁以及它们的合金。这种情况在19世纪后期发生了变化,尤其最引人注目的是铝的发现。铝直到大约200年前,当化学家开始使用新的工具来探索普通矿物的成分时,才被检测存在的金属。



他们发现的矿物之一是明矾,古时候人们依赖这些矿物作为收敛剂,从而使染料更加稳定。这种材料似乎是某种未知金属的起源,直到1820年代,这种金属才被分离出来,而直到1850年代才被纯化。即便如此,制造这种材料也非常昂贵和困难。铝的优异特性——特别是其重量轻及其银色光泽——引起了广泛的关注。珍贵的珠宝和一些异国风情的物件如歌剧眼镜就是用铝制造的。对于在1884年竣工的华盛顿纪念碑的小顶点,纯铝也被认为是合适材料。


20世纪初航空业给铝带来了新的战略价值。

20世纪80年代,铝的地位发生了巨大变化。当时两位年轻的化学家,一个在法国,另一个在美国,发现了如何用强电流制造纯铝金属。这种“电解过程”仅需耗费廉价易得的电力就能很容易的生产出金属铝。20世纪初航空业的发展赋予了铝新的战略价值,扩大生产以满足战时的需求,导致铝成为20世纪使用最为普遍的一种金属。


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半导体


随着科学家开始更深入地了解材料的各种性质,特别是从19世纪中叶开始,他们更加关注的材料特性之一便是:电流如何通过材料。一些物质,如木头或玻璃,似乎能抵抗电流的通过,而其他物质中,电流相对是容易流动的。前者被用做绝缘材料,后者例如铜,铝等作为导体,通常是导线的原料。这些对电性质的研究发现了另外一类性能位于绝缘和导电两者之间的材料——半导体,半导体可以允许电流通过,但是仅仅在某些特定物理条件下才能出现电性能。(比如,碳,加热后会升温,这就是爱迪生如何辨别何种材料适合于他的灯泡细丝的原理)

19世纪的研究员永远不会知道在下一个世纪后半叶,这些半导体将与其他材料一样深刻地改变世界。20世纪初,发明家设计出了一种控制电流和波的方式,创造了新形式的通信交流方式,如广播和电视。他们发现的方式涉及到控制电子:当精确控制电子的运动时,声音,光和其他现象可以被拾取,传播,复制,放大和操纵,以用于通知消息,娱乐,调查和计算,这些在之前是不可能实现的。


起初,这种电子控制取决于真空管,但这在能源,速度和效率上是巨大的代价。在第二次世界大战的刺激下,对通信和控制技术的需求得到了极大的扩张,真空管的替代品,如晶体管,开始出现在战后的岁月里。这些替代品首先由非常奇特和昂贵的半导体材料制成,且最初并不容易制造或使用。但是,当化学家发现如何制造大型和非常纯的硅晶体时,大量新的应用就出现了。随着将廉价可靠的整个复杂电路(包括数字计算机的工作)印刷在硅晶片上的技术的发展,信息和通信的革命成为可能:这就是一场我们今天继续看到的革命。


作者:材料文化专家罗伯特?弗德尔(Robert Friedel)是马里兰大学历史系的教授。他是“改进文化:技术与西方千年”(MIT,2007)的作者。



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