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液体如何带来死亡和毁灭,以及创造奇迹和魅力?

曾梦龙2019-11-05 16:23:35

液体,是物质最酷的状态,这是一个鲜为人知的事实。如果有人能传播相关的知识,那就是马克•米奥多尼克。从墨水到唾液,从咖啡到肥皂,这是一次令人振奋、大开眼界的旅程。——菲利普•鲍尔,英国科学与科普作家

《迷人的液体:33 种神奇又危险的流动物质和它们背后的科学故事》

内容简介

这是一本介绍液体及其特性的材料学科普书。作者马克•米奥多尼克用材料学知识为我们解读了日常生活里各种各样的液体。在一次飞机旅行中,他看到了从水、胶水到咖啡、葡萄酒、液晶显示屏和洗手液等各种物质的碰撞。从革命性的钢笔和航空煤油,到自我修复道路和计算机的前沿研究,米奥多尼克运用他幽默风趣的科学叙事,揭示了为什么液体能在树里向上流,为什么油是有黏性的,为什么海浪能翻涌那么远,以及如何泡出一杯完美的茶,等等。

作者简介

马克•米奥多尼克,伦敦大学学院材料科学教授,英国皇家工程学会会士,“英国百大影响力科学家”。他乐于为大众讲解材料科学知识,曾担多部纪录片主持人,包括英国广播公司(BBC)第二台制作的《发明的天才》。他还是伦敦大学学院制成研究中心主任。已出版畅销书《迷人的材料》。

译者简介

孙亚飞,北京大学化学院毕业,后于清华大学攻读博士学位,现从事生物质新能源相关课题研究。 2012 年加入科学松鼠会,活跃于果壳、知乎等媒体平台,撰写科普作品 50 万余字,中篇作品《塑料的世界》、《你好,门捷列夫》深受好评,并译有《诗意的原子》、《锈蚀》、《13次时空穿梭之旅》等作品。

书籍摘录

序言

我曾在机场安检处有过一次遭遇,花生酱、蜂蜜、香蒜酱、牙膏,一股脑都被没收了,最让我心疼的是,还有一瓶单一麦芽威士忌。在当时的处境下,我无可奈何,只能说着“我要见你们领导”或是“花生酱不算液体”之类的话,尽管我心里明白,它就是液体。花生酱可以流动,呈现出外包装的形状,这是液体的特性,所以花生酱是一种液体。然而,这件事还是让我愤愤不平。因为即便是在充斥着“智能”技术的机场安检处,工作人员也依旧不能区分液体面包酱和液体炸药。

从 2006 年起,机场不允许乘客携带超过 100 毫升的液体通过安检,但我们的检测技术在那之后并没有取得明显进步。X射线检测仪可以透视你的行李箱,因此被用于提醒安检人员注意那些形状可疑的物体,比如,从吹风机中识别手枪,或是从钢笔中发现刀具。可是液体没有固定的形状,检测仪只能辨识各类液体包装物的形状。机场扫描技术可以检测出液体的黏度以及一系列试剂的化学元素,但也遇到了一些麻烦。比如,易爆品硝化甘油的分子构成和花生酱的很相似,它们都含有碳、氢、氮、氧等元素,尽管前者是一种液体炸药,后者只是一种美食。毒素、毒药、漂白剂和病原体的种类多得吓人,要想从更多“无辜”的液体中迅速而又准确地分辨出它们来,简直比登天还难。不仅如此,我还从很多安检员(包括他们的领导)那里听来了一个观点:不管是我的花生酱,还是那些我似乎常会忘记从行李箱中取出来的液体物品,从某种意义上说都是隐患。他们总是说服我去相信这个很勉强的说法。

对于性能稳定的固态物体来说,液态就是它的“第二自我”。固体材料是我们人类忠实的伙伴,衣物、鞋子、手机、汽车以及机场都拥有着固定的形态。可液体不过是流体罢了,它们可以呈现出任何形状,除非被装在容器中。当它们没有被盛放的时候,总是四处漫开、渗透、侵蚀、滴落,摆脱我们的控制。当你将一块固体物放好后,它就待在那里不动了,除非有人强行把它搬走。一般情况下,它可以胜任很多有价值的工作,比如,支撑一座大楼,或者为一整个社区提供电力。然而,液体可谓是无法无天,破坏物品时得心应手。举个例子吧,在浴室,水流总是容易漏入缝隙,蓄积在地板下面干坏事,腐蚀并破坏木质的地板托梁,要想阻止这一切,就要打一场持久战了。在光滑的瓷砖地面上,积水成了让人滑倒的“绝佳”隐患,无数人因此受伤。当水在浴室的角落蓄积时,又成了藏污纳垢之所,黑漆漆、黏乎乎的真菌和细菌生长出来,随时都有可能侵入我们身体并致病。然而,撇开所有这些威胁不提,我们还是很钟爱这玩意儿的。我们喜欢在水中泡澡,或是在水下冲凉,让全身都湿透。更何况,一间浴室里如果没有各式各样瓶装的沐浴露、洗发露、护发素、洗面奶以及管装的牙膏,它又怎么称得上是完整的呢?因为这些神奇的液体,我们感到快乐,却又对它们充满担忧:它们对我们有害吗?它们是否致癌?它们会破坏环境吗?因为液体,欢欣与猜忌交织在了一起。它们天生就是两面派,既不是气体也不是固体,而是居于两者之间,是一类令人难以捉摸的神秘物质。

水银,数千年来人类为之欣喜不已,却也深受它的毒害。当我还是个孩子的时候,经常把玩液态的水银,围着桌面轻轻弹打水银球,着迷于它的与众不同,直到我知道了它有毒。不过,在很多古老的文明中,人们都认为水银可以益寿延年、愈合骨折,维持身体的健康状态。如今,我们已不清楚为何它会被赋予这些特性,也许是源于它的特殊性:唯一一种在室温条件下保持液态的纯金属。中国的第一位皇帝秦始皇,为了长生不老而服用含有汞元素的丹药,可他在 49 岁就驾崩了,或许是因为中毒。古希腊人将水银制成软膏来使用,而炼金术士们相信,水银与硫黄的组合是形成所有金属的基础,当水银和硫黄之间的配比达到完美平衡时,便可以得到黄金。迷信由此产生了,人们以为,不同的金属只要以恰当的配比混合就能制出黄金。尽管我们现在知道,这完全是天方夜谭,但是黄金可以在水银中溶解是千真万确的。如果在这种液体“吸收”了黄金后再将其加热,它便会挥发,留下固态的金块。对于很多古代人来说,这个过程就像变魔术。

水银并不是唯一一种能吞噬其他物质并纳入其中的液体。将食盐加入水中,食盐会很快消失。但食盐肯定还存在于某处,可究竟是在哪儿呢?但若是把水换成油,食盐就会纹丝不动,这是为什么呢?液态的水银可以吸收固态的黄金,但它对水十分排斥,这又是为什么呢?水可以吸收包括氧气在内的一些气体,如果不是这样,我们就将生活在一个完全不同的世界上。正因为氧气会在水中溶解,鱼类才能在水中呼吸。虽说水不能携带足够的氧气来供人类呼吸,一些其他的液体却可以。比如,全氟碳液体(全氟化合物),这是一种化学反应性与导电性都极低的物质。如果你将手机丢入盛有全氟化合物液体的烧杯中,这种液体的惰性会让手机正常运转。全氟化合物液体也可以吸收氧气,浓度高到足以供人类呼吸。呼吸液体由此代替了呼吸空气。这种可供呼吸的液体具有很多可能性用途,最重要的是用于治疗患有呼吸窘迫综合征的早产婴儿。

当然,液态水具有维持生命的终极特征。这是因为它不仅可以溶解氧气,还含有很多其他的化学物质,包括一些碳基分子,因此能为生命的出现、新生物的诞生提供必要的水环境。或者,至少在理论上说是这样。所以,科学家们在其他行星上探测生命时,会先去寻找液态水。不过,宇宙中的液态水十分罕见,木星的卫星木卫二的冰盖下倒是有可能存在液态水海洋。此外,土星的卫星土卫二上也可能存在液态水。但不管怎么说,地球是太阳系中唯一一颗在表面上就存在大量液态水并且可直接使用的天体。

一系列特殊的环境条件,使地球表面的气温与气压有可能维持液态水存在。特别是,如果没有地球中心那由熔融金属形成的液态地核,便不会形成让我们免遭太阳风袭击的磁场,地表的水很可能早在数十亿年前就消散殆尽了。总而言之,在我们的地球上,液体产生了液体,又孕育出了生命。

然而,液体也具有破坏性。泡沫之所以触感柔软,是因为它很容易被压缩。如果你跳上一条泡沫垫,会感到它在你的脚下收缩。液体不仅不会这样,还会流动——一个分子移动到另一个分子所释放的空穴中。你可以在河流中看到此景,或是当你打开水龙头的时候、当你用小匙搅动咖啡的时候。当你从跳板上跳下,身体栽入水中时,水就会从你的身边向外流开。然而,水的流动需要时间,如果你冲进去的速度比水流的速度还快,它便会对你施加反向的推力。当你以腹部入水的姿势跳进泳池时,皮肤上的刺痛感便是源于这股推力。因此,从很高的位置落水与落在水泥地面上没什么两样。水的不可压缩性也解释了为什么浪涛具有致命的威力,以及它为什么能在海啸中摧毁建筑物和城市,像卷起一根浮木般卷起一辆汽车。 2004 年,印度洋发生地震并引发一系列海啸,造成周边 14 个国家 23 万人遇难,在有记录以来的最严重自然灾害榜上位居第八位。

液体还有个危险的特征:爆炸性。在牛津大学攻读博士学位的时候,我需要准备一些小样品用来测试电子显微镜,其中的步骤包括将一种叫作“电解抛光液”的液体冷冻至 -20℃ ,而这种液体是乙二醇单丁醚、乙酸和高氯酸的混合物。实验室里的学长安迪•戈弗雷为我演示了操作方法,我觉得自己已经掌握了。然而,几个月后,安迪注意到我在进行电解抛光的时候,经常会任由溶液的温度上升。有一天,他从我身后瞥见这一幕,大吃一惊:“我可不会这么做!”我问他原因,他指了指关于危险化学品的实验室操作守则:

高氯酸是一种腐蚀性强酸,对人体组织有破坏性,如果吸入、吞入高氯酸,或是将其溅到皮肤、眼睛等处,都会有损健康。一旦加热到室温,或是在浓度达到72%以上(任何温度)时使用,高氯酸都会变成一种强氧化性酸。有机物如果与高氯酸混合或接触,特别容易受其影响而自燃。在通风系统的管道中,高氯酸蒸汽有可能形成对冲击力敏感的高氯酸盐。

换句话说,它可以爆炸。

在调查过实验室后,我发现了很多相似的无色透明液体,大多数都无法和其他物质区分开来。比如,我们使用了氢氟酸,这玩意儿不仅是一种能钻透水泥、金属与鲜肉的酸,还是一种会干扰神经系统功能的接触性毒剂。这是一个潜在的风险,当这种酸腐蚀你身体的时候,你却察觉不到。意外地暴露于氢氟酸环境中,很容易被人忽视,它却能透过你的皮肤一直向体内渗入。

还有乙醇(也就是酒精),它也被列入了有毒物质的名单中。或许只是高剂量使用乙醇时才有毒,但被它杀死的人远远多于被氢氟酸杀死的人。在全球各地的社会与文化中,乙醇还扮演着各种各样的角色,它在历史上一直被作为杀菌剂、止咳药、解毒药、镇静剂和燃料使用。乙醇的独特魅力在于,它是一种精神药物,可以抑制神经系统。很多人要是每天不喝上一杯酒,就什么事都做不了,而大部分社交活动也是在提供酒精的场所里进行的。我们也许不会信任这种液体(这是对的),但不管怎么说,我们还是爱它。

当乙醇被血液吸收的时候,我们便可以感受到它引发的生理作用。每一次强有力的心跳都在提醒着我们,身体中的血液扮演着多么重要的角色,以及它需要不断地循环。我们要对心脏这台“泵”说上一句“谢谢”,当它停下来的时候,我们也就死了。在世界上所有的液体中,血液毫无疑问是最重要的液体之一。幸运的是,如今心脏也可以被替换、搭桥,或是在我们身体的里里外外被研究。血液本身也可以被输入或输出,进行储存、共享、冷冻或复活。事实上,如果没有血液库,每年都将有数百万人死于手术、战伤或交通事故。

然而,血液也会被一些传染病源感染,如 HIV 病毒或肝炎病毒,所以它在保护人体健康的同时也能带来伤害。由此看来,我们还得考虑到血液的两面性,所有液体都是如此。对于某种特定的液体来说,它是否可以被信任,是好是坏,是健康的还是有毒的,是可口的还是让人恶心的,这些都不太重要。真正重要的是,我们是否对它足够了解,是否能够驾驭它。

要想揭示我们从管控液体中获得的力量与快感,最好的方法莫过于乘坐航班时瞥一眼那些被禁止携带的液体。这也是本书要讲的,在一趟跨越大西洋航班上,提到了各种奇怪而又迷人的液体。我还能乘坐这趟航班,多亏当年读博的时候没把自己炸上天,反而继续从事了材料学的研究,最终成为伦敦大学学院材料研究所的主任,而我的科研工作也包括探寻液体如何“伪装”成固体。比如,修路时用的焦油、沥青和花生、黄油都是液体,而人们往往以为它们是固体。因为这项研究,我们受邀飞往全球各地参加会议,而这本书的内容就是这一趟从伦敦飞往旧金山的旅行报告。

这趟航班是用分子、心跳和海浪的语言来讲述的。我的目的是揭开液体的神秘面纱,并解释我们为何会变得如此依赖液体。飞机带着我们飞过冰岛的火山、格陵兰岛广阔的冰冻地带、哈德逊湾附近星罗棋布的湖泊,最终向南飞到太平洋的海岸。这是一张足够大的画布,我们可以探讨海洋、云中的水滴等不同尺寸的液体,还可以通过机上娱乐系统看看有趣的液晶,观察乘务员送来的饮料,当然,还有让飞机在平流层一直飞行的航空煤油。

在这本书的每一章里,我都介绍了一种液体的特性,也多亏了液体本身具有这么多特性,如可燃性、溶解性,以及可酿造性。我也将告诉你,液体的芯吸效应、液滴形成过程、黏度、溶解度、压力、表面张力以及其他不常见的特性是如何让我们绕着地球飞行的。与此同时,我还将揭示,水为什么会向树梢流动,却又顺着山坡下泄,油为什么是黏乎乎的,波浪如何涌向远方,物品为什么会干燥,液体怎么变成晶体,自己酿酒的时候如何避免酒精中毒,当然,还有如何泡出一杯好茶。所以,请跟着我一起飞,我向你保证,这将是一趟奇异而又非凡的旅程!


题图来自:pixabay

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