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| 編輯推薦： |
1.融科学、历史和趣味性为一体，介绍材料和化学的故事；
2.黄金、铁、陶瓷、碳酸钙、铝合金、不锈钢、半导体……换个角度看待身边的物质世界
3. 从磁铁和生命起源的关系到造纸术推动宗教改革，从“隐身斗篷”到聚氯乙烯推动音乐产业变革，解读12段改变历史的科学传奇
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| 內容簡介： |
本书从“材料科学”的观点出发，既介绍了黄金、铁、陶瓷、碳酸钙引人入胜的故事，又介绍了铝合金、不锈钢、半导体性能优异的秘密，还介绍橡胶、聚乙烯、高性能磁铁曲折的发明历程。
本书讲述了改变世界文明的12种新材料的故事，从“铁器时代”到“元素材料时代”，不同的材料改变了世界文明的发展进程。
从“金”“铁”等古老的材料开始，到“陶瓷”“纸”“胶原蛋白”“碳酸钙”，再到“铝”“塑料”“硅”等近现代的材料，本书介绍了12种材料被人类发现和利用过程中生动有趣的故事。这些故事，让我们重新思考人类历史与技术的关系。
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| 關於作者： |
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佐藤健太郎，1970年出生于日本兵库县，东京工业大学理工学硕士。他曾任医药企业研发人员、东京大学研究生院理学系助教等，现为科普文章撰稿人。2010年，他凭借《医药品危机》（新潮新书）获得日本科学记者奖。2011年，他获得日本化学通讯奖。他著有《碳战争》《改变世界的药物》等。
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| 目錄：
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章 推动人类历史的魔力金属——黄金
黄金的光芒
点石成金的迈达斯国王
金币问世
美丽的元素三姐妹
黄金之岛——日本
炼金术时代
黄金的魅力
第二章 跨越万年岁月的材料——陶瓷
容器与人类
陶瓷的诞生
陶器为何如此坚硬？
制陶与环境破坏
瓷釉的问世
白瓷的问世
白瓷渡海
欧洲瓷器简史
从日用陶瓷到新型陶瓷
第三章 来自动物的无上杰作——胶原蛋白
人类为何痴迷于旅行呢？
动物皮毛拯救了人类
胶原蛋白的秘密
化身武器的胶原蛋白
弓矢时代
今天的胶原蛋白
第四章 文明的催化剂——铁
材料之王
重物质的归宿——铁
钢与森林滥伐
“不生锈的铁”问世
铁即文明
第五章 文化传承的记录媒介之王——纸
从房屋到纸张
造纸术的改进者
纤维素为何如此强韧 ？
洛阳纸贵
造纸术东渡
造纸术西传
古腾堡印刷术的问世
记录媒介之王
第六章 千变万化的材料之星——碳酸钙
变换自如的大明星
孪生行星的分水岭
石灰与土壤改良
铸就帝国的材料
海洋生物与碳酸钙
克娄巴特拉七世的珍珠
哥伦布的珍珠
珍珠泡沫与价格崩溃
“海底热带雨林”的危机
第七章 编织帝国繁华的材料——绢（丝蛋白）
“蚕宝宝”
绢的起源
绢丝的奥秘
丝绸之路
丝绸帝国
新型蚕丝的时代
第八章 缩小世界的物质——橡胶
重于生命的感动
催生球类运动的时代
分泌橡胶的植物
橡胶弹性的秘密
橡胶远渡重洋
硫化橡胶的诞生
联结分子的桥梁
橡胶引发的交通革命
第九章 加速技术创新的材料——磁铁
磁铁的本质
发现“慈石”
指南车与罗盘仪
东方世界的大航海时代
困扰哥伦布的“磁偏角”
不朽的名著——《磁石论》
生命的保卫者——地球磁场
近代电磁学的诞生
磁铁在记录媒介中的应用
寻求更强劲的磁性材料
第十章 创造奇迹的“轻金属”——铝
兼顾防御与机动性
铝是怎样被发现的？
痴迷铝的皇帝
关于铝的科学知识
青年科学家们创造的奇迹
翱翔于天空的合金
新材料引发的革命
第十一章 变换自如的材料——塑料
席卷全球的材料
塑料的强大之处
扼杀塑料于摇篮中的皇帝
塑料是巨型分子
诞生于意外好运的塑料
天才的悲剧
“塑料之王”——聚乙烯的问世
塑料的未来
第十二章 无机材料之王——硅
开启计算机文明
古希腊的计算机
人类的计算机器梦想
处于命运歧途的元素兄弟
硅元素的历史
半导体的秘密
跨入锗时代
硅谷奇迹
第十三章 人工智能主导下的“材料学”研发竞争的发展趋势
未来的材料
“隐身斗篷”能实现吗？
围绕电池材料的白热化竞争
人工智能主导下的新材料开发
材料蕴藏着无限的可能性
结 语
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| 內容試閱：
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“新材料”改变世界文明进程
材料蕴藏的力量
人类建立文明社会至今已有数千年之久，历经大大小小无数次历史的转折点之后，我们才一步步走到了今天。也许是某位天才人物发明了新物品或悟到了新思想，也许是与远方的国家进行商贸往来，或者与别国开战，结果就催生了这些历史的转折点。从王朝、思想、学术、宗教、政体到每日互相问候的用语、日常食品等，可以说在人类社会中根本不存在一成不变的事物。
即使在极度打压对外交流及创新行为的江户时代的日本，社会内部也发生过数不清的变革，其中包括实现农业技术革新、普及货币经济，在文学与绘画等方面也收获了极具特色的艺术成果。从这个角度来看，确实可以说“变革”本身才是人类社会的本质。
这种天翻地覆的变革并非遵循一条循序渐进的轨迹，而是以发散式的形态贯穿于历史之中。众多具有革命性的转折点往往发生于转瞬之间，如同对弈中的妙招般将旧有的局面瞬间 改变。
就拿生活中的音像产品为例，第二次世界大战之后，黑胶唱片长期以来一直担任推广、普及音乐的主力。不过，在1982 年激光唱片（CD）问世后，黑胶唱片在极短的时间内就彻底退出了历史舞台。此后，激光唱片由于网络数据下载技术及视频门户网站的发展也被时代淘汰了。1998年，单曲及合集的白金唱片（即销量超过百万张）就有将近40部，可仅仅过了20多年，“白金唱片”就成了历史名词，当时又有谁能预测到这样巨大的变化呢？
总的来说，预测未来变化的方向难于登天，而试图激发符合自身需求的变化更是难上加难。在当代的日本，大家都希望改变现状，也都明白变革是的选择，可惜各种利害关系的纠缠成了阻碍变革的绊脚石。所有党派的政治家都在高呼改革，企业也为了开拓创新之路投入大量研究经费，可惜所获得的成果却不如人意。
那么，引发社会变革到底需要哪些必要因素呢？当然，单一因素很难推动变革，唯有多种因素汇集才能推动世界变革。在本书中，笔者将目光聚焦于材料蕴藏的力量。这是因为历史上绝大多数重大转折的根源，终总会落实到纸、铁、塑料等优秀材料所蕴藏的力量上。
能证明这一观点有力的证据就是石器时代、青铜时代、铁器时代之类的历史名词。青铜武器击败木石武器易如反掌， 能深耕土地的铁制工具为农业增产发挥了重大作用，并促进了人类种群的繁衍壮大。每当一种新材料登上历史的舞台，就会为人类文明迈上新台阶打下坚实的基础。也正是由于这个原因，历史学家才会以材料的名称划分人类的历史时代。从另一方面来说，采取这样的划分方式，关键在于石器与青铜器能经得起千年时光的侵蚀而保留至今，而人类利用木材与布料的起始时代至今依然没有定论。
文明发展的速率控制步骤
本书之所以聚焦于引发历史变革的诸多因素中的材料，是因为在笔者看来，材料是制约历史变革的速率控制步骤。速率控制步骤是化学术语，指的是在A物质转化为B物质、B物质转化成C物质、C物质转化为D物质等一连串的化学反应中，反应速率迟缓的步骤。这个步骤的化学反应速率决定了整体的反应速率，因而被命名为速率控制步骤。举个例子，假设一辆汽车行驶100千米的路程，其中有10千米路况极差的路段需要行驶2小时，那么这辆汽车在其他路段的行驶速度无论是90千米/小时还是110千米/小时，对整体行驶时间来说，影响并不大。路况极差的10千米对整体行驶时间具有决定性的影响。这就是速率控制步骤的概念。
正如前文所述，促使人类文明进入一个新阶段需要多种因素相结合，其中包括拥有罕见才华的智者，社会价值观革命， 政治环境、经济形势或者是自然环境等方面的剧烈变化等，只有具备了这些必要条件才会引发人类社会变革，其中新材料问世比其他因素更加罕见。笔者在此提出这样一个观点：符合时代需求的新材料的问世，是引发世界大变革的决定因素之一， 新材料的研发阶段也就是人类社会发展的速率控制步骤。
以前文提到的唱片为例，初的唱片是以紫胶虫吸取树木汁液后的分泌物——虫胶的固化物为原料。进入20世纪50年代，以聚氯乙烯为材料的唱片问世，立即催生了巨大的音乐市场。与易碎、易磨损的虫胶相比，轻便、结实的聚氯乙烯可以长期保存， 而且容易进行大批量生产。假如没有聚氯乙烯这种令人惊异的材料，音乐很难像今天这样走进千家万户。
在20世纪50年代之后，与此前的时代完全不同的是，全球音乐界突然涌现出众多明星。莫非此前时代的人们缺乏音乐细胞吗？答案当然是否定的，原因在于即使此前的时代存在过不亚于“猫王”和“披头士”的音乐天才，但是人类还未拥有将这些音乐天才的歌声以便宜、高音质的方式传播给社会大众的材料。
当然，音乐之所以能传播到世界的每个角落，电视机的普及肯定发挥了重要作用。但是，仅凭电视机无法催生出一个巨大的音乐市场，也未必能给各种音乐天才留下璀璨闪光的机会。唯有聚氯乙烯的问世，才突破了世界音乐文化传播的速率控制步骤。
更准确地说，聚氯乙烯的问世引发了记录媒介的革命，而记录媒介的发展对音乐本身，也可以说是对音乐家这种职业的工作方式带来了变革。在两三百年之前，也诞生过无数伟大的歌手、演奏家，但给后世留下不朽声望的只有莫扎特、贝多芬等作曲家。他们将自己的乐谱保留于纸张之上，使得这些作品能够传播到遥远的国度，并流传于子孙后世。与作曲家相比， 当时的演奏家就不那么幸运了，除了亲临现场欣赏之外，没有任何手段能将来自音乐的那份感动传达给其他人。
只有进入现代社会，通过录音或摄影等技术才能突破时间与空间的限制，将不亚于真实效果的音乐演奏之美传送给社会大众。进入20世纪以来，音乐界的变化是：直接打动观众的歌手和演奏者成了广受瞩目的明星，而作曲家则成了不那么受追捧的幕后工作者。可以说，造成这种转变的关键就是记录媒介的巨大变革。
改变世界文明进程的材料还有很多种，与前文提到的石材、铁、聚氯乙烯等大规模应用材料推动历史的进程不同，还有一些材料以其稀有性和昂贵的价值成为人类争夺的对象，从而推动历史发展。其中，著名的例子就是黄金和丝绸。
此外，也可以根据材料的来源进行界定。初，人类从自然界获取石材、木材等，直接根据材料的性质加以利用。随着时代的进步，逐渐出现了铁等需要对自然界的物质进行二次加工才能获取的材料。到了现代，塑料这种由人工发明而产生的在自然界不曾存在过的材料出现了。当前世界的新材料则是根据精密的分子设计开发，拥有自然界物质根本不可能存在的 性能。
本书从这些为数众多的材料中精选12种材料，着重介绍它们与人类历史变革的关系，从而为“新材料是开启新时代之门的钥匙”这一观点提供佐证，并希望以此激发广大读者对材料科学的兴趣。
佐藤健太郎
人类的计算机器梦想
当然，基于对正确完成大量计算工作的要求，古代有很多类似神秘机械装置的“计算机器”。诸如算盘、算筹、计算尺之类的单纯性计算工具早已流传于世界各地。除此之外，布莱斯?帕斯卡（1623—1662）和戈特弗里德?威廉?莱布尼茨（1646—1716）等著名数学家也分别发明了滚轮式加法器和莱布尼茨乘法器等计算工具。
开发出现代计算机雏形的人是英国数学家查尔斯?巴贝奇（1791—1871）。当时为了计算船只的航线，必须进行对数运算，可是对数表的误差太大，甚至引发了部分船只失事事件。因此，在1812年，年仅21岁的巴贝奇开始考虑能否用机器计算， 以确保结果的正确性。
可惜他那台被命名为差分机的设备不仅结构过于复杂，而且设计多次变更。他的研究资金很快就用完了。巴贝奇不屈不挠地坚持了20年，后不得不放弃差分机的研制工作。
1991年，为了纪念巴贝奇诞辰200周年，伦敦博物馆制作了巴贝奇生前未能完成的差分机。终的成品是一台宽3.4米、高2.1米，由4 000多个零部件构成的巨型设备。测试结果表明，这台机器能正确进行15位数的计算，从而证明了巴贝奇的设计丝毫无误。
人类历史上的首台电子计算机要等到1945年才问世，这台值得载入人类史册的电子计算机被命名为ENIAC（电子数值积分计算机）。它的用途是计算弹道等，以为第二次世界大战提供支持。不过，等它诞生的时候，第二次世界大战已经结 束了。
ENIAC由近1.8万个真空管、7万个电阻和1万个电容组成， 宽约30米、高约2.4米、厚度达到0.9米，是一个总重量达27吨的庞然大物。其中，革命性的设计是采用程序控制计算机，可以处理多个领域问题。从这一点来看，它可以称得上是现代计算机的始祖。
虽然这台计算机在当时是耀眼的明星，但是巨大的机身和高额的维持费用，导致它的用途被制约于特殊领域内。这台原始计算机未来进化成能够影响我们生活各方各面的现代计算机，还需要以一种材料为基础，而这种材料便是本章当仁不让的主角——硅（silicon）。
硅元素的历史
虽然硅元素在生命构成当中并没有发挥多大的作用，但是作为一种材料，硅被人类广泛应用，其作用远超其他元素。且不说建筑用石材，包括前文提到的陶瓷的分子构架也以硅原子为主。此外，玻璃也是由1个硅原子与2个氧原子结合成的分子组成，这些分子排列毫无规律可言。
虽然硅在自然界无处不在，可是人类认识它的时间还不到200年。1823年，瑞典科学家贝采利乌斯（1779—1848）才首次分离出了纯净的硅。硅元素的发现时间甚至比发现诸如铑、钯、锇等极微量元素都晚了许多年。
硅迟迟未能进入人类视野的原因与前文中介绍的铝元素的情况类似——硅与氧的亲和性极强，化学键极为牢固。前文中提到岩石与玻璃，在分子结构中硅原子与氧原子互相交错形成网状结构，分离难度极大。因此，获取高纯度的硅非常困难， 必须等到技术、工艺与思路发展到一定水平之后才能实现。
高纯度硅是一种带有银色光泽的固体，往往会令人误以为是某种金属。但是，硅元素的物理特性与金属元素大相径庭，所以被归入了准金属。例如，就导电性来说，硅介于拥有导电性的金属与拥有绝缘性的非金属元素的中间地带。由于具有这种半导体的特殊性质，硅元素成为信息化时代的“元素 之王”。
半导体的秘密
半导体是大家耳熟能详的词汇，虽然大家都知道它的导电性介于导体与绝缘体之间，可未必理解其中真正的奥妙。简单来说，半导体是一种能够通过改变杂质含量或者改变光照方式控制其电导率的物质。
在金属元素本身携带的电子中，一部分可以脱离原子自由移动。只要从任意一个方向得到“召唤令”——施加电压——这些自由电子便会瞬间奔向低电压区域，这样就在金属内部形成了电流。
而在硅晶体内的原子对电子的捕捉能力稍强于金属元素， 使电子无法自由移动，因此纯硅基本上属于绝缘体。对此，可以在纯硅中混入极少量的其他物质，使硅具有导电性。
例如，在硅晶体内添加带电子数少的硼，由于硼原本处于缺乏电子的状态，会形成“电子空穴”状态。一旦施加电压， 临近的电子就会移过去填入空穴，新产生的空穴由其他电子填充，在此连锁反应之下形成稳定的电流。
简而言之，这就是所谓的空穴传输。纯粹的硅晶体内部由于所有的空穴都被电子占满，如同一群人手里都拿着东西，相互之间无法传递物品。加入硼相当于这一群人加了几个空着手的人，就可以迅速将手里的物品（电子）转交给下一个人。这种半导体本身缺乏负电荷，也就是说全体处于正电荷的状态， 被称为P型半导体（p是单词positive的首字母）。
与此相反，假如在硅晶体内加入多带了一个电子的磷元素， 依然可以具备导电能力。不过，由于这种半导体携带的是负电荷，因此被命名为N型半导体（n是单词negative的首字母）。
综上所述，在硅晶体内加入不同种类和比率的杂质，就会形成不同特性的半导体。再将这些半导体进行合理组合，就可以制造出诸如单向导电的二极管、记录信息的存储媒介等多种电子元件。用象棋的棋子打个比方，假如金属元素是只能前行的兵卒，而半导体就相当于棋盘上多了车、马、炮等功能强大的棋子。将这些棋子进行合理布局，就可以像走出精妙的棋局一般生产出复杂而功能强大的电子产品。
跨入锗时代
真正开创半导体时代的材料原本不是硅，而是一种名为锗的元素。前文提到碳元素与硅元素在周期表中同属一列，而锗元素则在下方紧挨着硅元素，三者在性质上自然有许多相同之处。因此，锗元素也为半导体的发展立下了汗马功劳。第二次世界大战后，早利用锗元素开发出新设备的是美国的贝尔实验室。该实验室原本是属于美国电话电报公司（AT&T）的研究部门。AT&T在全美展开长途电话业务时发现这样一个问题：随着距离的增加，声音信号出现衰减现象，导致双方难以听清通话声，而解决这个问题只能依靠音频信号增幅 设备。
1947年，约翰?巴丁（1908—1991）、沃尔特?布拉顿（1902—1987）和威廉?肖克利（1910—1989）三人首次实现了锗晶体管实用化。初的产品被称作点接触式锗晶体管，在实用性方面还有极大的欠缺。后来，肖克利又开发出物理特性极其稳定的NPN型晶体管。
第二年， 随着晶体管的技术公开，全世界的技术人员敏锐地捕捉到技术的发展方向。当时所使用的真空管寿命长不过数千小时，这就导致刚问世不久的ENIAC不得不一天数次更换真空管。然而，新问世的晶体管不仅寿命长、价格低，而且可以做得极为小巧。据当时参与晶体管研究的日本人回忆，看到极其细小的晶体管时，他不由得感到“这是种令人毛骨悚然的 发明”。
晶体管的问世开启了半导体产业兴盛发展的新篇章。成功开发出晶体管收音机的东京通信工业以此为契机， 发展成了名震世界的索尼公司。1960年，电视之所以能登上“娱乐之王”的宝座，晶体管的功劳不可磨灭。而巴丁、布拉顿和肖克利三人也因为发明晶体管的功绩而荣获了1956年的诺贝尔物理学奖。
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