万卷好书176：《迷人的材料》4：碳材料、瓷器和植入物，也有你不
万卷好书176：《迷人的材料》4：碳材料、瓷器和植入物，也有你不知道的迷人之处
文/杜豆豆
英国王室的加冕珠宝“非洲之星”
1
碳，可以是坚硬璀璨的钻石，但也可以是柔软漆黑的石磨炭笔。
碳原子核周围环绕了六个电子，其中两个位于内层，对碳原子的化学性质毫无影响，其他四个活跃电子位于外层，造成了石墨和钻石的不同。
碳原子的四个活跃电子跟另一个碳原子分享，形成四个化学键，每个碳原子都有来自另一个碳原子的四个电子配对，就会形成具有稳固晶体结构的钻石。
英国王室的加冕珠宝“非洲之星”，其原石是迄今为止地球上最大的钻石，和足球差不多大。
钻石坚硬，是因为钻石做为一整块单晶体，一千万亿亿个原子被排列成了完美的金字塔结构，电子被牢牢锁住。
钻石耀眼，是因为钻石的高色散率将射入的光线分解成了七色光。
也正是因为坚不可摧、色泽晶莹，让钻石成了名贵珍宝。同时，由此而催生出来了各种“钻石大盗”，成了众多文艺作品的灵感来源，比如福尔摩小说里莫里亚蒂教授的原型。
不过，钻石虽名贵，可因为不能熔解，没法货币化，限制了流通。好在高明的钻石商们发明了“钻石恒久远”的广告词，让钻戒成了爱情的象征，造就了钻石巨大的市场。
实际上，钻石可不会“恒久远”，因为所有的钻石，经过几十亿年都会变成石墨。
石墨比钻石还稳定。因为石墨层内部的每一个碳原子都和另外三个碳原子共享4个电子，而钻石内的碳原子折合4个碳原子共享电子，石墨内部形成的化学键更强，但缺点是两层之间，缺乏多余电子形成稳固连接，靠的是分子电场变动产生的弱吸引力，也就是“范德华力”。但这种力很弱，一旦受外力就会最先瓦解，所以导致石墨很柔软。
人们老说铅笔，其实和铅一点关系也没有，铅笔的笔芯是石墨。
还有一种东西和石墨一样，具有碳原子六角形平面结构，它就是煤炭。如果我说钻石跟煤炭是同一种东西，你肯定觉得很奇怪，但事实的确如此。1772年，化学之父拉瓦锡把钻石加热至燃烧，发现燃烧后没有任何残留物；如果在真空中加热钻石，钻石受热就会变成石墨。
钻石和煤炭，钻石和石墨既然是同一种物质，能不能把石墨逆转成钻石呢？
这是个大胆的设想，不过至今没有实现，因为这种实验要极高的温度和压力，很难模拟。
现在科技很发达了，人造钻石也成了庞大的产业。但人造钻石还是不够透明，内有瑕疵，没法和天然钻石相媲美。更况且，它不够“纯正”，大家也不愿意将它作为求婚钻戒的选择。
我们都以为钻石是世界上最坚硬的东西，但科学家发现了更坚硬的六方晶系陨石钻石，比钻石硬度高出58%。它是在陨石撞击产生的高温高压条件下由石墨变成的。于是，有科学家推断是否碳原子还有其他的排列结构，会让碳原子产生出更多的变体？
于是，他们把石墨纺成细丝，织成布料，形成碳纤维，用环氧胶包住纤维之后做成了碳纤维复合材料。如今，这一材料不仅成了制造飞机的主要材料，而且在运动器材领域大展身手。
后来还有科学家发现了碳原子的另一种排列方式，叫做富勒烯，为此还获得了1996年的诺贝尔化学奖，引起了碳原子的研究热潮。
自此，纳米碳管、石墨烯等都被研究出来，成了未来世界重要的材料物质。
2
明宣德青花海水白龙纹扁瓶
瓷器是咱们中国人的骄傲，已经成了中国茶文化不可或缺的一部分。瓷器在特性上看，做为茶具，比塑料和其他材质更为健康耐用，一直以来拥有高贵的地位。
陶器的诞生很偶然。古人发现河里的粘土，经过火烧之后就会变成像石头一样坚硬的东西，由此发明了陶器。但是早期的陶制品脆弱粗糙，容易渗漏。
陶器的制造原理，是因为粘土里的矿物微粒和水受热后，结晶里的原子会形成原子桥，让结晶体变成单一的整体。
古代的时候，陶瓦的制造技术门槛比较低，所以陶瓦成了重要的建筑用料。但是，要做成轻薄的容器就很容易破裂。
后来人们发明了“上釉”，就是在陶片上覆盖一层灰烬，这些灰烬加热就会变成涂层附在陶器表面封住孔洞，这样做出的陶器就能够防水了。而且，在釉粉中加入颜色还能给陶器上色，让陶器成为装饰，变成了艺术品。
但陶器还是不够坚硬。聪明的中国人让陶器变成了陶瓷，是因为他们发现了一种特殊的配方。用高岭土和一些矿物质混合做成了白粘土，这种白粘土加热到1300摄氏度就会变成光滑坚硬的白瓷，特别适合做精致的器皿。
瓷的美丽轻盈、光润亮泽，很快使它成了高雅的象征，变成了一种完美的工艺材料。中国各朝各代都有大型的官窑，因此也创造出了风靡世界的精美瓷器。
欧洲人一直无法做出像中国瓷器一样精美的瓷器。后来还是到了18世纪初，炼金术士贝特格破解了高岭土和高温这两大做瓷器的秘诀，欧洲人才开始有了自己的瓷器。
英国人花了50年时间，终于做出了骨瓷。他们用混合了矿物和兽骨的白色细粉加水后形成糊状物，做成各种形状的粗胚，然后放到火泥箱中加热到极高温度。再把火泥箱放到窑里，用炭火让温度逐步升高，把水分蒸发掉。当温度高达1300摄氏度时，结晶内部的部分原子就会变成液态渗到结晶内部的孔隙，布满整个容器。
最后，再让瓷窑降温两天，这样做出的瓷器纯白无瑕，轻弹一下声音清脆，成了英国引以为豪的用品。
3
医学上，会用到很多经久耐用的植入物。比如，要让断掉的骨头重新长好，一般会用什么呢？
对，熟石膏。熟石膏是19世纪时土耳其人发明的，是石膏脱水硬化后形成的陶土。但它容易碎，所以要缠上绷带放置被撞击时碎掉。
不过，上了石膏会感觉又热又痒。这是因为，石膏加水本身会放热，而痒则说明绷带在慢慢变硬。
以前没有现代人的牙科技术，所以牙疼就只能拔牙了。后来，终于有人发明了汞奇，就是银锡汞的合金。汞奇可以变成液态注入到牙齿的蛀孔中慢慢硬化，然后和牙齿咬合，一度成为补牙的主要材料。不过现在如果再去补牙，会有更多的材料选择，比如说复合树脂，就是硅石粉末和透明塑料的合成物。要换假牙的话，还可以用瓷牙或者氧化锆牙，它们比树脂牙更加耐磨，颜色也更像牙齿。
连接骨骼让人能够自由活动的韧带，如果断裂了就没有办法复原，只能更换。换韧带时就需要用螺丝把韧带牢牢固定在关节上。现在，通常用钛来固定韧带，因为钛不容易被人体排斥，而且还能和骨骼紧密整合，不会轻易松掉。
关节损伤是常见病，很多人会患有关节炎。但如果严重损伤，就只能做关节置换手术。比如说胯关节置换手术，就是先把大腿骨顶端的股骨头去掉，然后换上钛做的股骨头，再把骻臼钉入骨盆，垫上高密度聚乙烯做的软骨，形成人工关节。
我们常说的关节炎其实就是软骨受损。软骨中有活细胞，叫做软骨胚细胞，目前是可以人工培育的，但是没有办法在原生地以外存活。这时，就需要建造临时骨架。
20世纪60年代亨奇教授发明了一种方法，用轻磷灰石的矿物作为骨细胞成长的骨架，把软骨胚细胞放进去分裂增生，让软骨重新生长。
科学家们还用这种方法培育出了人造气管，甚至还采用了最新的3D打印。
这项支架技术成功之后，科学家们接下来的挑战是培养肝、肾及心脏。目前这些主要器官的衰竭，还必须靠器官移植才能恢复健康。器官长期短缺一直是医疗界一大头疼问题，生物材料支架组织工程是眼下最具前景的替代方案。
人类能克服老化吗？现在还很难说。因为老化不是细胞老了，而是制造细胞的系统退化了。不管怎么说，虽然合成植入物不能解决人类死亡的问题，但还是解决了人体组织或器官过早耗竭的问题，改善了人们的生活。
虽然在老去，日子还是要优雅地过
4
好了，10种神奇的材料我们到这里就介绍完了。表面上看来，都是我们已习以为常的材料，但是它们的内在世界，却是包含了材料艺术、科学与哲学在内的一个庞大的微观世界。
万物都是由原子构成的，是一层套着一层的微观世界共同塑造了材料的特性。
地球上自然存在的原子虽然有94种，但其中有8种构成了98.8%的物质，铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙、铝。所以虽然外貌不同，塑料和巧克力也会有共同点，钻石和石墨甚至是同一家。
但要认识他们，解释它们，就不能单纯只从一个化学原子角度看，还要看它们的组合结构。
调整材料的微观结构就能改变材料的性质。
比如现在兴起的纳米科技，就让我们能够在纳米的尺度下进行更为微观的观察、操作和创造。
还有我们前面所说的生物细胞、铁结晶、纸的纤维素纤维、混凝土原纤维都属于微观尺度。
那么肉眼可见的尺度有哪些呢？
第一种叫介观尺度，包含了原子结构，纳米结构和微观结构，是肉眼可见的临界点，比如说滴一滴水在手机屏幕上，你就能发现图像是由微小的像素组成的。
第二种叫“袖珍尺度”，由原子结构、纳米结构、微观结构和介观结构组成，是肉眼刚巧可见的大小，比如丝线、头发、缝针等等。
还有人的尺度，包括我们握在手上，放进嘴里的东西，比如塑料管、石头、面包等等。
正是这些不同尺度的结构，让我们有机会发明新材料，创造出不同性质的各种物质。
但21世纪真正的难题，是结合所有尺度的结构，形成人的尺度的物体。
比如说，智能手机就是结合了介观尺度的触屏屏幕和纳米尺度的电子元件。
量子力学的微观世界虽然被视为科学最复杂的领域，其实比牵牛花要单纯得多。所以研究不同的尺度似乎还在告诉我们，生命体在概念上和无生命体没有区别，差异只在于生命体内部各尺度的连接更深，不同尺度会彼此沟通，主动组织生命体的内在结构。那么，假设有一天不同尺度间的联系加上主动回应，是否也能构成生命现象呢？
这样的科学难题，需要进一步的探索。
不管怎么说，我们每个人都和物质世界有着千丝万缕的关系，材料的意义在我们心中无所不在。
我们买衣服来表达自己希望成为某种人，我们建房子选材料，希望来反映自己的价值观。这是一个持续反思、吸收与表达的重塑过程。
我们塑造了材料，材料也在重塑我们的生活。
重塑
（本文结束）
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