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诞生不过百年,无处不在的它,竟是在一次偶然被发明出来了

2023-12-15 简体 HK SG TW

今天小编分享的科学经验:诞生不过百年,无处不在的它,竟是在一次偶然被发明出来了,欢迎阅读。

这个故事开始于 19 世纪末的美国,轰轰烈烈的 " 镀金时代 "。

里奥 · 亨德里克 · 贝克兰(Leo Hendrik Baekeland),1863 年出生于比利时。他出身平凡,父亲是个普通工匠,而母亲是个仆人。但他凭借着对知识的爱好,读上了大学并继续深造、最后成为了化学教授。1889 年,他移居美国,投入了工业制造行业。

1905 年,他第一次人工合成了一种叫 " 酚醛树脂 " 的产物,是世界上第一种完全由人工合成的塑料。他随后注册了这种塑料的专利,以自己的名字命名(Bakelite,中文翻译为 " 电木 " 或者 " 胶木 "),并投入了大量生产,而他也在 1940 年 5 月 20 日被《时代》周刊称为 " 塑料之父 "。

那么,这个过程是怎么回事?我们又能从中学到什么呢?下面咱们就来聊聊。

一些古老的电话,外壳材料就是电木。图片来源:pixabay

新材料在召唤

塑料这种廉价的工业产品,突破了天然材料的限制,绝缘、稳定、耐腐蚀,从而成为了万用材料,而贝克兰自己也凭借着这个发明成为了工业大亨。

这个故事乍一看是一个知识转化为应用,并且获得巨大成功的故事。然而,塑料的诞生并不是一帆风顺的。而贝克兰能够合成出塑料,也有着相当多的机缘巧合。

那时候,参与化工材料行业的人,大致都抱着两个目的,一个是代替天然材料,另一个是开发绝缘材料。工业革命之后,中产阶级崛起,对于高級消费品的需求大大提高。一部分人想要用人工材料来取代天然材料,例如象牙、玛瑙、琥珀等等,使其可以量产。

举个例子,当时的消费市场,对台球的需求非常高,但如果使用象牙来造的话,一根象牙也就能制作 8 个台球,产量可想而知,于是开发新材料变得有利可图。

图片来源:pixabay

在不断摸索中,人们发现,天然含纤维的材料,例如木头、棉花等,经过一些处理,加入硝酸和樟腦并加热,就能形成具有可塑性的材料,能倒模做成不同的样子,质感和象牙非常类似。这种材料被称为 "赛璐珞"(celluloid)。

然而,这种材料有一个十分致命的缺点:易燃。而台球又不断地承受着击打,配上易燃的赛璐珞材料可谓是定时炸弹,也难怪当时的台球厅里偶尔会传来可疑的爆响了。毕竟,赛璐珞主要成分是硝化纤维,的确很不稳定。不信你在安全空旷周围没有易燃物的地方,用打火机点个乒乓球(主要成分是赛璐珞),就能稍微感受到这玩意烧起来有多快。

而另一种需求,则来自新兴的电力行业。

电力的崛起带来了对于合成材料的渴求,人们想要找到一个可以便宜、量产的合成材料,以满足电线线路的绝缘需求。类似于橡胶的东西是他们的 " 范本 ",但即使热带殖民地的橡胶种植园开足马力,也赶不上电力扩张的脚步。但那时候,合成材料的 " 技能点 " 还根本点不了那么远,人们对于好材料的想象也十分有限。

更关键的问题在于,在当时,无论是找天然材料的代替物,还是找绝缘材料,其实都和真正的化学研究距离比较远。那么化学家那时候在干什么呢?

答案近在眼前,但是……

其实,当时的化学家距离 " 正确答案 " 已经很近了。早在 1872 年,德国化学家阿道夫 · 冯 · 拜尔(Adolf von Baeyer)就发现,苯酚和甲醛反应后,会有一些无色、树脂状、浑浊的残留物遗留。但这些残留物,被当时的化学家当作垃圾丢弃了。

这不能怪化学家 " 有眼无珠 ",这是因为那时候的化学行业,很大一部分注意力都集中在染料上,甚至后来的制药行业,都是由染料的制造而衍生出来的。鼎鼎大名的 " 百浪多息 "(Prontosil),世界上第一种人工合成的抗生素,前身就是一种红色染料,开发的公司名为法本(Farben),也是德语的 " 颜色 " 的意思。一心寻找纯净染料的化学家,对这种看起来没什么用的残留物,当然也就不太感冒了。

说回到贝克兰本人。他在投入制造业之前,的的确确是化学研究出身,即使当时化学作为一个学科发展还没有后来那么成体系,但也系统地训练了他对学科的敏感,特别是对实验的高度重视。

在他来美国之前,他在比利时的根特大学教授化学,而他研究的是照相化学,也就是如何使用各种手段优化成像技术。他的研究内容,就是研究各种化学反应的催化剂和条件,控制各种变量,以观察成品的不同。

这一方面让他拥有了化工制品行业的人所没有的、对各种条件和元素的敏感,另一方面,他也得以接触到当时一些前沿的、新的材料,并将实验室制品批量生产,比如他参与发明的一种叫 Volex 的相纸,最后被柯达公司买走专利。总结起来就是,贝克兰既懂研究,同时也很注重新发现的物质能拿来做什么。

凭借着对化学反应和合成材料制造的双重敏感,他敏锐地发现了苯酚和甲醛反应的 " 副产品 " 的潜力,并在不断试错中,最后合成了酚醛树脂塑料并申请了专利。

贝克兰的启示

如果我们只是看到贝克兰的成功,那就有点落入科学 " 励志爽文 " 的俗套了,下面咱们稍微深入一点分析一下。

贝克兰的成功,有几分时势造英雄的偶然,但也揭示了科技创新中的一个重要元素:突破性的创新,往往来自于对既有框架的打破。科学技术研究学者、荷兰社会学家维比 · 拜克尔(Wiebe E. Bijker)用 " 技术框架 "(technological frame)一词解释了这个现象:人们在探索新的技术发明的时候,并不是没有方向的,往往是出自于一套既有的框架。

而这个框架,定义了 " 什么是目标 "" 什么是当下的问题 ",以及如何解决问题的逻辑,然后在这个基础上发展相应的策略、采取相应的手段、应用相应的技术。这样的框架有助于集中资源,解决问题,但有时候也会导致我们错过重要的新发现。

回到塑料的发明过程,我们也能看到这样的框架。

首先,那时候人们还不知道什么是 " 塑料 ",在发明的过程中,人们只是站在他们既有的框架上,从已经定义好的问题和解决方式中,探索一个方案。像当时材料行业的人们,因为已经有了赛璐珞,他们的重点是要使赛璐珞不那么易燃,靠通过更换溶液、调整反应和制模温度、掺入稳定剂等等来解决问题。而当时他们对于材料的想象,也只建立在天然材料之上,然后再加入制作成本、制作工艺等考虑,这个框架在当时已经成熟,但却有无法解决的瓶颈:只能改良,难以突破。

而另一边的化学家呢,他们的技术框架是截然不同的。合成染料及其相关制剂的目标,是寻找到并尽可能提取出一种纯净的化合物,而其他的产物只是垃圾,或者 " 副产品 " 罢了。在苯酚和甲醛的反应中,那种树脂状的 " 塑料 " 原型,很难进行提纯,因此被那时候大部分的化学家所忽略。

这种既有的框架,提供了清楚的目标和行为路径,能够帮助人们不断地优化现有的发明和产品。但突破性新发明的关键,就在于它的 " 新 ",在于它的不可预知。著名历史社会学家托马斯 · 库恩(Thomas Kuhn)在对于科学发展的研究中,也提出了相似的概念,即 " 范式 "(Paradigm)。范式能够助益常规科学的发展,但类似于相对论、量子力学等全新的科学概念的诞生,则需要有完全不同的范式,打破原有的解释框架。

图片来源:pixabay

机会总是留给有准备的人,也留给了能够打破既有框架,进行开放式的想象和观察的人。贝克兰的塑料帝国,是时势造英雄,也是具有胆识的灵活的思考的成果。

这种思考,往往是跨学科、跨领網域的。而我们的创新,也不是对于 " 标准答案 " 的追求,不能仅仅局限于对于规模和投入的计算,也不宜限定领網域和框架。当下,许多科学和技术领網域都极度专业化,专业之间的交流就显得尤其重要。技术的创新,也不是一个人、一个发明能够促进的。未来的科技进步,需要不同社会群体、不同认知框架的交锋和切磋,才能不断地打破既有框架的束缚。

参考文献

[ 1 ] Bijker, W. E. ( 1997 ) . Of bicycles, bakelites, and bulbs: Toward a theory of sociotechnical change. MIT press.

[ 2 ] Sovacool, B. K. ( 2006 ) . Reactors, Weapons, X-Rays, and Solar Panels: Using SCOT, Technological Frame, Epistemic Culture, and Actor Network Theory to Investigate Technology. Journal of Technology Studies, 32 ( 1 ) , 4-14.

[ 3 ] Kuhn, T. S. ( 2012 ) . The structure of scientific revolutions. University of Chicago press.

策划制作

本文为科普中国 - 星空计划作品

出品|中国科协科普部

监制|中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨郑李 科普创作者

审核丨李宗鹏 国家轻工业塑料产品质量中心 高级工程师  

策划|丁崝

责编丨丁崝

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