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改变人类历史的十大关键材料
发布:kittyll   时间:2017/7/5 10:16:50   阅读:581 
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人类文明的发展,人类社会的每一次改革都与材料息息相关,从石器时代到当今的信息化时代,材料遍布于世界的各个角落。在这里,将细述那些伴随了人类发展历程,并对历史发展影响深远的关键材料。

如果没有木材、陶瓷、玻璃、以及钢铁,我们又会是怎么样呢?如果没有木材、陶瓷、玻璃、以及钢铁,我们又会是怎么样呢?倘若没有诸如此类的重要材料,人类文明也就不会像如今一样如此灿烂辉煌。在这里,列举了10种从最古老的种类到那些重塑21世纪的的材料,它们对人类社会有着深远的影响。

1.木材

木材先于石头而存在。毕竟,我们人类是森林的产物。没有任何一种材料像木头一样,从几百万年前的非洲之心到现在,一直亲密地陪伴了我们种族的发展历程。虽然在考古学家们对更为持久的物质(如石头和砖)怀抱解读激情时,这一简单的事实往往会被忽视掉,但我们的物质世界曾经几乎完全是由木头所构成的,譬如原木、棍棒、树皮、细枝、竹子和无数种自然界中木材的其他形式。

没有材料像木材一样在其多样化的使用性上如此令人印象深刻。这归因于大自然的鬼斧神工,赋予了植物如此多样化的强度、密度、以及灵活性。反过来,这主要是因为木材本身所具备的复合结构——高强度的纤维与牢固的粘合剂的结合。这样结合后的结果,可能会如橡树或鹅耳枥一般致密、沉重,可能会像轻木一样,柔软、质轻,可能会像柳木或者月桂一样,非常灵活,也可能会如柚木、桃花心木一般强韧。

对木材的熟练使用使得人类可以将河流、海洋,从障碍转变为高速通道;甚至当一些小石头可用时,利用木材可以构筑篱笆、家、以及围墙;从床、椅到水桶等一切木制品,都可以用来便利他们的生活。在上个世纪左右,这种对木材原本形态的熟练应用已经拓展到了一个全新的模式,包含了切片、层压合板、颗粒以及碎屑等不同形式。

2.陶瓷

在21世纪,我们往往不会对陶罐在意太多,或者说是对任何一种由粘土烧制的容器。但对于考古学家而言,陶瓷的存在与否是人类社会发展阶段的一个最基本的重要指标。在“陶瓷”社会,食物和水的存储只有很少的几种方式,因而农业的发展依旧停滞在原始阶段,并且受限很大,直到人类学会了如何烧制粘土,这才有所改观。

塑形后的粘土在干燥后会发生硬化,但只有在足够高的温度下烧结,其化学结构才会发生永久性的转变,从而不渗透液体,且不易变形。最早的人类伟大文明起源于美索不达米亚(如今的伊朗)、中国以及印度地区,在其繁荣发展的过程中,不仅仅创造了各种实用的容器,而且还有多姿多彩的瓦、雕塑,以及珠宝。通过结合其他矿物材料,烧结后的混合粘土颜色丰富多彩——第一种釉料的由来。

颇具嘲讽意味的是,对于这种最古老的加工原料,在21世纪实验室中,一些最先进的物质,如高温超导体,其本质竟然也是陶瓷。

3.纤维&布料

我们很难想象无处不在的布料同样也是一种材料,但它却是人类掌握最早的复杂制造业。在自然界中,虽然存在数量有限的纤维,但却不存在布。像丝绸、棉花,或者羊毛,这些纤维的确存在,但在织成布料之前,必须对它们进行加工改造。人类是如何掌握将成百上千根单一的羊毛搓成粗纺线纱,或者他们是如何获知将亚麻植物的枝杆通过浸泡来分离纤维,从而拧成亚麻线,这是我们早期历史的伟大奥秘之一。

古往今来,布的种类一直是人们关注的热点之一。也许早在5000年前,中国人就发现他们可以利用蚕丝编织极薄的精致布料。大约在相同时期,印度和埃及的布料制造商们利用棉花纤维进行纺纱,制成了用途极其广泛的、纹理和轻重各异的布料。在世界大部分地方,我们的祖先们发现他们可以利用各种放牧动物的毛,从骆驼到羊,制成一些已知的非常柔软的织物,或者那些扎人的粗糙布料。

它来源于试管,而并不是农场。

随着现代化学在布料改善中的应用,布的多用性和多样性并没有锐减,反而有所提升。然而利用人造纤维以及聚酯等合成材料来制造时尚衣物的一些早期努力,在当时却变成了笑柄。而今,它是一类不具有布的特性的罕见衣物,其来源于试管,而并不是农场。

4.青铜

铜是人类能够谨慎使用的第一种金属。它的发现纯属偶然,其当时被误以为是金块。在通常情况下,铜更易从矿石中还原出来的它相当地质软,并且几乎不存在棱角。青铜作为掺有少量锡的一种铜合金,其应用更为广泛。虽然我们不知道工匠是如何设计出这种结合方式的,但在青铜发现之前的5000到6000年里,(在许多地方)已经有数千年的加工铜的历史了。

作为第一种人类有目的地生产的合金,青铜为金属的广泛使用开辟了先河,尤其是在武器方面。第一把剑就是青铜剑身,其具备锐利的剑锋,抗碎裂、断裂的能力或许就是它最重要的属性。

在青铜的组分中,锡是最为不常见的,它们可能是长途贸易的第一批产物。即使在古典时期,在地中海地区,有关铜的大规模贸易都来自于塞浦路斯(它的名字来自希腊字的金属),有关于锡的,则来自于远在西南方的英国(康沃尔)。

5.铁&钢

即便是在21世纪,铁仍旧是最重要的金属,这一真实性已有3000年之久。可用的铁矿石几乎随处可见,大量的技术可以用来生产不同形态、不同特性的金属。从历史角度来看,铁有三种基本的形式:纯铁、铸铁,以及钢。对它们形态的辨别,工匠们完全依赖于经验和观察,并且对铁的使用已有数个世纪。直到19世纪,人们才理解了它们成分的差异,尤其是其中碳的重要作用。

纯铁几乎不含其它杂质,可以在车间便捷地使用,并且韧性很好,可锻造成型。而铸铁则有明显的碳含量,混合在金属之中的碳(物理和化学结合都有)有时可多达5%。不像纯铁一样,这种新构建的产物可以熔融在炭炉中,然后利用熔浆和模子浇注成型。虽然铸铁硬度很高,但其质地比较脆。就其历史而言,或许早在2500年前,中国的金属匠就第一次使用了这种高炉的产物——铸铁。

在上半个世纪,铁最重要的形式是钢。钢的成分很广,其性质在很大程度上取决于碳(0.5%-2%)和其他合金材料的含量。一般来说,钢同时具备了纯铁的韧性和铸铁的硬度,因此在历史上多用于制造刀片和弹簧等。在19世纪中期之前,要实现这种均衡的性能需要高超的技艺,但是新工具以及新工艺的发现,比如平炉冶炼和酸性转炉炼钢法(第一种廉价的用铁来生产钢的工业制钢法),降低了钢的价格,并实现了大量生产,从而钢材得到了广泛的应用。

6.玻璃

因为沙子不经意的掉入,然后在炉中熔化,第一块玻璃也许就这样偶然地产生了。这类似于冷脆性陶瓷的材料,其结构和性能却与陶瓷差异很大。虽然我们通常认为玻璃是透明的,但透明玻璃的产生经历了长达数个世纪的试验,或许直到罗马时期才被生产出来。

玻璃可以通过加热沙子(二氧化硅)和一种可以降低混合物熔点的矿物(比如碳酸钠)“流体”来制造。玻璃的颜色和清晰度取决于原料的纯度和沙子与“流体”的特殊组合。透明或者半透明的这种材料脆性很大,但从物理方面来讲,它属于液体而不是固体。换句话说,玻璃没有固定的晶体结构,它实际上是可以流动的,虽然其流动速度异常缓慢。

玻璃纤维电缆构成了我们信息时代的支柱

能够连续稳定地生产真正意义上的透明玻璃的首位制造商,非威尼斯人莫属,他们的“点评”构成了中世纪晚期评判优良玻璃的标准。直到大约17世纪,玻璃才普遍用在窗户上,而真正意义上的广泛应用则是在19世界大规模工业生产之后。当玻璃纤维电缆构成了我们信息时代的支柱时,玻璃的多用性才不断涌现出来。

7.纸

在纸出现之前的几千年里,通过在石头、粘土、木头、布、皮肤以及其他表面上书写,人类把他们的语言记录了下来。尽管存在多种多样的选择,再加上后来电子媒介的出现,一个没有纸的世界将会和我们所熟知的大相径庭。

在大约2000年前的惊人的创作时期,作为众多发明中的一项,纸被中国人所发明。当那些来直接自于植物,或者更为典型地来自于废弃衣物的纤维被浸泡、部分腐烂时,它们可以被重构成随机缠绕的片状材料。通过小心翼翼地按压这些片材直到干燥为止,然后利用淀粉给它们上浆(密封纤维之间的空隙),这样就得到了多用性的纸。最终纸张的样式繁多,从精细的薄纸到韧性十足的牛皮纸以及其他包装纸类,再到可以用来糊灯笼、做屏风、做墙纸的日本和纸。

8.塑料与橡胶

几千年来,对于那些少数表面光滑和外表艳丽的材料,我们的祖先很是欣羡。象牙、玳瑁、角可以制作成小型的奢饰品,它们所带来的温暖和优雅是其他物质力所不及的。在19世纪,市场的不断拓展,再加上人们对化学理解的大幅度加深,产生了一类全新的人造材料,因为它们的出现,使得在较低成本的条件下,大量制造奢饰品成为了可能。由硝化棉和莰酮制得的赛璐珞是第一种商业化塑料。在一定压强下,加热这种混合物,它会转变成一种用途异常广泛的物质。赛璐珞几乎可以做成任何东西,从梳子和衣领到玩偶、卡牌,以及最后的乒乓球。

在20世纪,这种塑料可以与甚至更具塑性的大量物质相结合。通常由煤和石油的副产物所制得的这种新塑料,有时可以加工成更为奢饰的代用物品。但由于它们独特的属性,所以大量使用于科技当中,从电话和其他电子产品到人体部件替代品和其他医疗器械,对于其他材料而言,这是几乎是不可想象的。

和塑料紧密相关的材料应属橡胶,由南美开拓者引入欧洲的这种材料,最初只是一种天然产物。当地人用橡胶树的乳白色汁液做防水处理,以及制作弹跳球。后来,欧洲人利用干燥后的橡胶树液碎块来擦除铅笔笔迹,因而这种材料被命名为“橡胶”。直到大约1840年,Charles Goodyear才发现如何将这种材料制作成各种稳定的形态,可以用制作从梳子到充气筏等几乎所有的东西。橡胶充气轮胎被证明在20世纪的汽车运输中是必不可少的,正是因为这种依赖,所以促使了合成橡胶的发明,其制作方式与塑料如出一辙。

9.铝

几千年来,可以用于制造物体的金属仅有有限的那么几种元素。除了货币所用的贵金属和珠宝外,实用的金属几乎全是铅、铜或者铁及其合金。在19世纪后期,特别是由于铝的引入,这种格局才被打破。直到200年前,当化学家们开始使用新的工具来探索普通矿物的成分时,这种金属才被发现。

他们研究的矿石之一就是明矾,自古以来人们就把它做当作收敛剂和染料稳定剂来使用。这种材料的金属来源不明,直到1820年左右,铝才被分离出来,对它的提纯则是到了大约1850年才实现。尽管这样,但它依旧十分昂贵,并且很难制备。铝的优良特性——特别是轻质以及银色光泽——引起了人们广泛的关注。珍贵的珠宝以及譬如观物镜等异域物品就是由铝制造而成的。完成于1884年的华盛顿纪念碑,其顶端的那个小尖甚至被认为是由纯铝所构筑的。

20世纪初期的航空赋予了铝新的战略价值

19世纪80年代,当来自法国和美国的两名年轻的化学家发现了如何利用大电流生成纯铝后,铝的地位发生了翻天覆地的变化。这种“电解过程”使得铝便捷易得,此制备方法仅取决于廉价的电力供给。20世纪初期的航空给予了铝新的战略价值,为了满足战时需求,从而扩大了铝的生产,这使得铝成为了20世纪无所不在的金属。

10.半导体

当科学家们开始对材料的各种性能进行更为深入的研究时,特别是从19世纪中叶开始,他们所在意的材料的一个重要行为就是电流的传导——一个能否在材料中稳定传导或者不能传导的问题。一些物质,如木头或者玻璃似乎能够抵制电流的传导,而另外一些材料则易于导电。前一种材料为绝缘体,而后一种,譬如铜和铝,作为导体,在各种电线中屡见不鲜。对电学性能的研究,促使了另外一类材料(半导体)的产生,其性能位居先前两种材料之间。包括碳在内的这种“半导体”,它允许电流通过,但其物理响应却很弱。(例如,碳易于升温,这也就是为什么爱迪生认为它适用于做灯丝材料的原因。)

这些19世纪的研究人员可能从未料想到,在下个世纪末,这些半导体会对我们的世界产生比以往其他任何材料都巨大的影响。20世纪早期,发明家设计出了多种巧妙地控制电流和电波的方法,促进产生了多种新的通信方式,比如广播和电视。他们发现的关于控制电子行为的方法:当这些运动被精确地控制时,声音、光和其他现象可以以前所未有的方式被收集、传播、复制、放大和操纵,从而实现通知、娱乐、调查和计算。

最初,虽然这种电子行为的操控依赖于真空管,但它对能量、速度、以及效率的消耗很大。在第二次世界大战的刺激下,以及对通信和控制技术需求的迅速扩大,真空管的替代品,如晶体管,开始出现在战后的岁月里。最初,这些替代品是用非常奇特和昂贵的半导体材料制成的,因而它们的制造或使用并不那么容易。但是当化学家们发现如何制造大量的晶体硅时,所有的不可能都变成了可能。随着在硅晶片上廉价稳定地印刷完整复杂电路技术的发展,包括数字计算机在内的工作方式,使得信息和通信革命成为了可能——一种我们都可以看得到的革命。

小编总结:从最原始的木材,到如今的半导体,人类的发展与材料的研究密不可分,当今社会的进步更是与材料息息相关。面对纳米技术带来的种种革新,科研工作者们对金属、陶瓷、半导体等材料,也会有更深入研究,从而继续推动整个社会的进步。


来源:材料牛
 
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