歷史上極具影響力的10種材料

如果沒有木材、陶瓷、玻璃和鐵等材料，我們的世界會是什麼樣子？如果沒有這些重要的材料，人類文明的發展就不會如此地迅速。在這裡，讓我們了解一下從遠古時期到21世紀對社會發展極具影響力的10種材料。

木材

木材出現於石器時代之前。早期的人類離不開森林，木材是唯一一種伴隨著人類歷史發展而一直存在的材料，從數百萬年前的非洲一直延續到現在。但這個簡單的事實經常被考古學家們忽視，考古學家通常喜歡研究石材和磚等更耐用的材料。但曾經，我們的原始物質世界幾乎全部是木材，原木、木棒、樹皮、樹枝、竹子及其他木質工具。

木質的多樣性讓其他材料無法媲美。木材遵循自然的設計，自然賦予木本植物多種強度、密度和柔韌性等特點。這要歸功於木材的複合結構-通常由強纖維和韌性粘合劑組成，進而形成像橡木或角樹一樣密且重，像輕木一樣軟且輕，像柳樹或月桂樹一樣具有柔韌性，像柚木或桃花心木一樣堅硬不易變形的木材。

掌握木材加工技術讓人類能夠將河流和海洋從等阻礙變成道路；即使小木材也可用來建造柵欄、屋子和牆壁以及床、椅子、籃子和桶等生活用品。從20世紀開始，加工技術使木材的應用拓展到全新的形式，包括切片，層壓板，實木顆粒和木質晶元等。

陶瓷

在21世紀，我們通常不會考慮使用粘土燒制的盛食器具。但對考古學家來說，陶瓷存在與否是社會發展程度最基本的指標之一。在「無陶器」社會，幾乎沒有儲存食物或水的方法。因此，在學會燒制粘土之前，社會的農業發展規模非常有限。

先將粘土成型，然後乾燥硬化，但只有在足夠高的溫度下，粘土的化學性質和內部結構才會永久地改變，從而能夠盛裝液體，並在多種環境中保持形狀。最早期的美索不達米亞、中國和印度文明不僅創造了實用的盛食器，還創造了五彩繽紛的瓷磚、雕像和首飾。將粘土與其他礦物材料混合，在加熱後還能夠形成明亮的色彩層——釉層。

令人難以置信的是，21世紀在實驗室中發現的高溫超導體等最先進的材料，均是陶瓷這種最古老的材料-。

纖維和織物

因為織物在生活中無處不在，我們甚至不會想到織物也是一種重要材料，但它大概是人類掌握的第一種複雜製造技術。當自然界中的「纖維」存在數量有限時，並沒有織物。像絲綢，棉花或羊毛等纖維卻一直存在，但必須經過處理才能夠製成織物。至於當時人們怎樣學會把羊毛或山羊毛捲起來，怎樣將數以百計的毛捻成絲線或紗線，以及如何學會將亞麻植物分離開再紡成亞麻布，這些都是我們早期歷史的未解之謎。

在歷史發展過程中，織物因其多樣性而倍受人們喜愛。中國人可能在5000多年前就發現了可以利用蠶幼蟲分泌出的絲來製作薄且精緻布料的方法。約在同一時期，印度和埃及的布料製造商正在將棉花纖維紡成一種非常實用的織物，利用這種織物可以做成不同的紋理和樣式。在世界許多地方，我們的祖先還發現可以將各種動物的毛做成柔軟適合與人類皮膚接觸的織物。

隨著現代化學的應用，布料的多功能性和多樣性並未降低。人們早期利用合成材料（如人造絲或滌綸）製成的衣服並不成功，而如今在衣櫃里的織物通常並非來自農場。

青銅

銅是人類廣泛使用的第一種金屬。這種金屬通常從礦石中還原出來，質地相當柔軟，使用上不具優勢。青銅是銅與少量錫構成的一類銅合金，也是一種更加實用的形式。我們不知道早期的工匠們是如何發現青銅。但在數千年中對銅的使用會推動青銅的發現，在多個地區發現的青銅器物大約出現在5000到6000年前。

作為人們設計生產的第一種合金，青銅開啟了廣泛使用金屬的時代，特別是武器。第一把劍便具有青銅刀刃，並且在使用過程中能夠一直保持鋒利的邊緣，或許這就是青銅最有價值的屬性。

因為青銅的構成元素並不常見，特別是錫元素，它們的出現很有可能是長途貿易的結果。甚至在古羅馬時期以前，地中海地區見證了來自塞普勒斯國的銅與來自英格蘭西南部康沃爾地區的錫的交易（註：塞普勒斯在希臘語中是銅的意思）。

鋼鐵

即使在21世紀，也沒有比鐵更重要的金屬了，而且鐵已存在近3000年。鐵礦石几乎分布在世界各地，不同工藝可生產出具有不同特性的材料。從歷史上看，鐵主要有三種應用形式：鍛鐵，鑄鐵和鋼。工匠們完全依靠經驗和觀察，發現了這些形式並連續使用了幾個世紀。人們直到19世紀才弄清楚它們之間的差異，尤其是碳的作用。

鍛鐵幾乎是純鐵，兼具塑性和韌性，很容易鍛造成形。鑄鐵的碳含量可能高達5％，鑄鐵與鍛鐵性能不同，可以在炭爐中熔化，澆注在模具，這種材料非常硬且脆。從歷史上看，鑄鐵通常從高爐中生產，早在二千五百年前，中國金屬工匠可能就已經掌握這項技術。

在20世紀後半段，鋼是鐵最重要的應用形式。實際上，鋼包括許多種類，性能取決於碳含量（通常為0.5％~2％）和添加的其他合金元素。可以說，鋼結合了鍛鐵的高韌性與鑄鐵的高硬度。因此，鋼在歷史上通常被用來製作刀片和彈簧。然而在19世紀中期以前，獲得這種性能上的平衡需要高水平的工藝。但後來隨著平爐冶煉和轉爐鍊鋼工藝和新技術的出現，使鋼更加廉價，產量更高，在許多領域的應用中，性能超過其他材料。

玻璃

第一塊玻璃的產生極有可能是一場意外。沙子進入窯爐然後融化了，這導致了一種類似於陶瓷材料同樣具有冷脆性質的物質的發現，雖然實際上兩者在結構和性質上是非常不同。我們理所當然地認為玻璃是透明的，但人類實際上花費了數百年的經驗和實驗才生產出真正意義上的透明玻璃。

玻璃是通過加熱混有「助熔劑」的沙子（二氧化硅）來製成的，「助熔劑」是一種可以降低混合物熔點的礦物質（如碳酸鈉）。玻璃的顏色或透明度取決於組分的純度以及沙子和助焊劑的特殊比例。玻璃這種透明或半透明的材料是非常脆的，在物理上屬於液體而非固體。也就是說，玻璃沒有結晶結構，並且實際上是在「流動」的，雖然流動狀態通常進行的非常緩慢以至於難以察覺。

玻璃纖維電纜現在是我們信息時代的支柱材料。

威尼斯人是第一批真正意義上能夠製造透明玻璃的玻璃製造商，並且也在中世紀後期給精美玻璃制定了標準。在17世紀以前，玻璃因為價格十分昂貴，通常並不會應用在窗戶上。直到19世紀的工業規模製造，玻璃才真正意義上得到了廣泛的應用。這種材料的多功能性一直延續至今，而玻璃纖維的電纜現在構成了我們的信息時代的基石。

紙

在數千年之前，人類將他們的語言寫在石頭，粘土，木材，布，皮膚和其他表面上。儘管選擇多樣，且電子媒體也不斷興起，但一個沒有紙的世界對於我們也是不現實的。紙是2000年前中國燦爛文化中最有創造性的發明之一。從植物、布料中得到纖維，通過浸潤過濾掉腐爛部分，它們可以重構成隨機纏結的片材。通過仔細的加壓成片，直至乾燥，之後用澱粉密封成型。最終得到不同柔韌度的紙張。紙的應用形式可以有很多，如日本用於燈籠的牛皮紙，用於牆面的壁紙等。

塑料和橡膠

數千年來，我們的祖先便十分欣賞這麼一小部分材料——它們表面光滑、顏色豐富，如象牙，玳瑁和喇叭等。這些材料可以製成小而奢華的物品，以實現其他材料難以表現的溫暖和優雅。在十九世紀，隨著市場的增長，加上對化學物質本質的理解和製造成本的降低，使得人造物質興盛起來。第一種實現商業化的塑料是由硝化棉和樟腦製成的賽璐珞。當把這兩者組合在壓力環境下加熱時，它可以轉變成一種應用極其廣泛的物質，從製造梳子、衣領到玩具娃娃、紙牌、以及乒乓球等成品。

在二十世紀，第一次使用塑料與其他物質相結合，得到的新塑料，相比於原來的塑料，通常擁有更好的性能。通常由煤或石油生產的副產品製成的新塑料，有時被製成更多的奢侈品。但是，這些材料的特性也使得它們在更多領域有所應用：如，電氣設備，外殼材料，醫用設備等。

與塑料密切相關的是橡膠，這種物質起初作為天然產品被南美早期探險家帶到歐洲。 當地人使用巴西三葉草的乳液進行防水和製作彈跳球。歐洲人用干汁沖洗出鉛筆痕迹（因此稱為「橡膠」）。直到大約1840年，查爾斯?固特異才發現如何將橡膠製成一系列穩定的產品，並將其應用於從梳子到充氣筏的一切產品。橡膠充氣輪胎在20世紀被認為是汽車交通運輸必不可少的產品，這種依賴性導致了合成橡膠的發明。

鋁

幾千年來，僅有少量的元素可被用於製作東西。除了用於金錢和首飾的貴金屬之外，實用的金屬有鉛，銅、鐵以及它們的合金。這種情況在19世紀後期發生了變化，尤其最引人注目的是鋁的發現。鋁直到大約200年前，當化學家開始使用新的工具來探索普通礦物的成分時，才被檢測存在的金屬。

他們發現的礦物之一是明礬，古時候人們依賴這些礦物作為收斂劑，從而使染料更加穩定。這種材料似乎是某種未知金屬的起源，直到1820年代，這種金屬才被分離出來，而直到1850年代才被純化。即便如此，製造這種材料也非常昂貴和困難。鋁的優異特性——特別是其重量輕及其銀色光澤——引起了廣泛的關注。珍貴的珠寶和一些異國風情的物件如歌劇眼鏡就是用鋁製造的。對於在1884年竣工的華盛頓紀念碑的小頂點，純鋁也被認為是合適材料。

20世紀初航空業給鋁帶來了新的戰略價值。

20世紀80年代，鋁的地位發生了巨大變化。當時兩位年輕的化學家，一個在法國，另一個在美國，發現了如何用強電流製造純鋁金屬。這種「電解過程」僅需耗費廉價易得的電力就能很容易的生產出金屬鋁。20世紀初航空業的發展賦予了鋁新的戰略價值，擴大生產以滿足戰時的需求，導致鋁成為20世紀使用最為普遍的一種金屬。

半導體

隨著科學家開始更深入地了解材料的各種性質，特別是從19世紀中葉開始，他們更加關注的材料特性之一便是：電流如何通過材料。一些物質，如木頭或玻璃，似乎能抵抗電流的通過，而其他物質中，電流相對是容易流動的。前者被用做絕緣材料，後者例如銅，鋁等作為導體，通常是導線的原料。這些對電性質的研究發現了另外一類性能位於絕緣和導電兩者之間的材料——半導體，半導體可以允許電流通過，但是僅僅在某些特定物理條件下才能出現電性能。（比如，碳，加熱後會升溫，這就是愛迪生如何辨別何種材料適合於他的燈泡細絲的原理）

19世紀的研究員永遠不會知道在下一個世紀後半葉，這些半導體將與其他材料一樣深刻地改變世界。20世紀初，發明家設計出了一種控制電流和波的方式，創造了新形式的通信交流方式，如廣播和電視。他們發現的方式涉及到控制電子：當精確控制電子的運動時，聲音，光和其他現象可以被拾取，傳播，複製，放大和操縱，以用於通知消息，娛樂，調查和計算，這些在之前是不可能實現的。

起初，這種電子控制取決於真空管，但這在能源，速度和效率上是巨大的代價。在第二次世界大戰的刺激下，對通信和控制技術的需求得到了極大的擴張，真空管的替代品，如晶體管，開始出現在戰後的歲月里。這些替代品首先由非常奇特和昂貴的半導體材料製成，且最初並不容易製造或使用。但是，當化學家發現如何製造大型和非常純的硅晶體時，大量新的應用就出現了。隨著將廉價可靠的整個複雜電路（包括數字計算機的工作）印刷在硅晶片上的技術的發展，信息和通信的革命成為可能：這就是一場我們今天繼續看到的革命。

作者：材料文化專家羅伯特?弗德爾（Robert Friedel）。

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