我在這本書中考察了物質與材料的世界，希望讓各位明白我們週遭的材料雖然看起來只是五顏六色的東西，其實遠非如此。這些材料都是人類需求與慾望的細緻展現。為了創造這些材料，滿足我們對衣裝服飾和蔽身之處的需要，以及對巧克力和電影的喜好，我們被迫做出一件了不起的大事：我們掌握了這些材料複雜的內在結構。這套理解世界的方式稱為「材料科學」，到現在已經有數千年了。它的重要性和「人味」不下於音樂、藝術、電影與文學，卻沒那麼為人所知。在這本書的最後一章，我想更進一步介紹材料科學的語言，因為它指出了一個涵蓋所有材料的概念，不僅包括我們之前介紹過的材料，也包括沒提到的。
這個涵蓋一切的概念是：就算某種材料看起來只有一種顏色，摸起來只有一種感覺，就算它外表只有一個模樣，那也是幻覺。任何材料其實都是由許多不同實體組成的，而這些實體會在不同尺度上展現。就像俄羅斯套娃一樣，材料的結構都是一層套著一層，幾乎每一層肉眼都看不見，每一層都比外層小，並緊密貼著外面那層。這個多層結構不僅讓某種材料成為某種材料，也讓我們成為我們。
原子是最基礎的材料結構之一，但不是唯一重要的結構。一些更大的結構也很重要，如（我只舉本書提過的）位錯、晶體、纖維、支架、凝膠，等等。這些結構個個就像小說裡的不同角色，共同塑造了材料的形狀。有時某個角色主導了小說，但只有讓所有角色各歸其位，才能完整解釋材料的性質。例如我們之前解釋過，不銹鋼湯匙嘗起來沒有味道是因為結晶內的鉻原子會和空氣中的氧原子反應形成氧化鉻，在湯匙表面形成保護膜。就算表面刮傷，保護膜也會迅速復原，讓鐵銹來不及生成。於是我們吃飯再也不會嘗到餐具的味道。這個分子解釋令人滿意，但只說明了不銹鋼「沒味道」的特質。唯有考慮不銹鋼的所有內在結構，才能完整瞭解它的全部性質。
萬物都由原子構成
從這個角度來看，很快我們就會發現所有材料其實擁有一組共同的結構。最簡單的例子就是所有材料都由原子構成。你很快就會發現，金屬和塑料有許多共同點，而塑料又和皮膚及巧克力等有許多雷同之處。為了呈現所有材料的共同點，我們需要繪製一張材料的俄羅斯套娃結構圖。這不是以單一尺度描繪各種地形的普通地圖，而是以多重尺度表達一種地形：材料的內在世界。請見下圖：
讓我們從最根本的組成單元開始，那就是原子。原子的大小是我們的一百億分之一，因此肉眼顯然無法看見原子結構。地球上自然存在的原子有94種，但其中8種構成了98.8％的材料與物質，分別是鐵、氧、硅、鎂、硫、鎳、鈣、鋁，其他都算是微量元素，連碳也不例外。我們已經能把一些常見元素轉換成稀有元素，但得靠核反應堆才能進行，這種方法不僅價格高於採礦，還會產生核廢料。這就是為何黃金到了21世紀依然值錢。從以前到現在，人類開採的黃金加起來也只能放滿一棟豪華別墅。
某些原子非常有用，但數量稀少，例如釹和白金，但量少不一定是問題，因為材料不單單取決於它的組成原子。就像之前提到的，堅硬透明的鑽石和烏黑柔軟的石墨，兩者的差別不在於原子，它們都是由同一種元素構成的，也就是碳。兩者性質的巨大差異來自於原子的排列方式，在於是立方體還是多層堆棧的六角平面。這些排列方式不是隨意的，我們無法隨心所欲地排列原子。
排列的規則取決於量子力學，而量子力學把原子視為波函數，而非粒子，因此用結構來稱呼原子本身以及原子形成的鍵結更為恰當。有些量子結構會產生可移動的電子，使得該材料可以導電。石墨的結構就是如此，所以能導電。鑽石裡的原子跟石墨相同，但結構方式不同，使得電子在晶格內無法自由移動，因此鑽石不會導電。鑽石呈現透明也是同樣的道理。
這個看似煉金術的現象告訴我們，就算原子的種類極少，也可以創造出性質極為不同的材料。人體就是很好的例子。大多數的器官和組織都是由碳、氫、氧、氮所組成，而這四個成分的排列組合只要稍微變化，再加上鈣和鉀之類的礦物質點綴，就能形成頭髮、骨骼和肌膚等極為不同的生物材料。這就是材料科學的金科玉律：單是知道材料的基本化學組成，並無法瞭解材料的特性。這個法則不僅對技術發展非常重要，更具有深遠的哲學意義，畢竟現代社會就是靠它才得以存在的。
因此，組合原子才能創造材料。由一百個左右的原子堆疊而成的骨架就叫納米結構。1納米是十億分之一米，屬於這個尺度的物體叫大分子，也就是由數十到數百個原子組成的較大結構，例如我們體內的蛋白質和脂肪。塑料的主要成分也屬於這一類，像是製造賽璐珞的硝化纖維素和必須從木漿中去除才能造紙的木質素。納米尺度的多孔結構就是非常細緻的發泡材料，例如氣凝膠。
結構尺度影響大
在之前的章節中，這些結構看似面貌不同，其實都有一個共同點，就是它們的性質都出自納米結構，調整這個尺度的結構就會改變它們的性質。人類操控納米世界已經有數千年歷史，只不過之前靠的是化學反應或爐床冶煉之類的間接方式。鐵匠打鐵其實是在改變鐵內結晶的形狀，讓納米尺度的位錯「成核」，亦即讓晶體內的原子以音速跳到另一個晶體。我們的肉眼當然看不見這麼微小的變化。在人的尺度上，我們只會看見鐵改變了形狀。這就是為什麼我們過去覺得金屬是「鐵板一塊」，因為我們直到這些年才掌握了結晶內部的複雜機制。
納米科技之所以在最近蔚為風潮，是因為我們現在有了顯微鏡等工具，能直接在納米尺度進行操控，創造大量的納米結構。我們現在能做出搜集光轉化成電來儲存的納米結構，以做出發光源，甚至做出能感受氣味的納米粒子。納米科技似乎擁有無限可能，但更有趣的是，許多納米結構都能自我合成，也就是這些材料能自行生成。聽起來很詭異，但完全符合已知的物理定律。汽車馬達和納米馬達的差別在於，納米世界的主要作用力為靜電力和表面張力，納米尺度下的重力非常微弱，而前述兩種作用力卻特別強。但對車子而言，最強的作用力是地球的重力，重力會讓車子肢解。因此我們可以設計納米機械，讓它能利用靜電力和表面張力自動合成與自行修復。細胞內部本來就有這套分子機制，所以才會自行生成，但在人的尺度上就需要力氣和強力膠了。
納米結構太小了，人類看不見也摸不著。為了讓材料能和人互動，就必須組合納米結構，讓它變大十到一百倍，聚合成顯微鏡下可見的結構。不過，即使變大到微觀尺度，肉眼依然看不見。硅芯片是20世紀最偉大的科技突破之一，它就屬於微觀尺度。硅芯片由硅結晶和電導體聚積而成，是電子世界的動力火車。我們身邊的電子設備包含了數十億個硅芯片，它們能播放音樂、拍攝度假相片和洗衣服。它們是人造的大腦神經元，尺寸相當於人體的細胞核。怪的是它們沒有會動的部位，完全靠本身的電磁性質來控制信息流。
生物細胞、鐵結晶、紙的纖維素纖維和混凝土原纖維也屬於微觀尺度。這個尺度中還包括一個偉大的人造結構，就是巧克力的微觀結構。可可脂結晶有六種結晶構造，熔點各不相同，使得巧克力擁有非常特殊的口感。糖的結晶和包含巧克力香味分子的可可粉也屬於這個尺度。改變巧克力的微觀結構就能改變巧克力的味道與口感，而這正是巧克力師傅的本領所在。
材料科學家正開始設計可以控光的微觀結構。這類人造「超材料」具有可變的折射率，可以把光曲折成任意角度。這項技術催生了第一代的隱形斗篷，只要圍住某個物體，它就會彎折射向物體的光線，讓人無論從任何角度看都會覺得那個物體消失了。
肉眼可見的尺度
介觀尺度含納了原子結構、納米結構和微觀結構，是肉眼可見的臨界點，手機的觸控屏幕就是很好的例子。它看來平滑細緻，但只要把水滴在屏幕上，水珠就會產生放大效果，讓人看見它其實是由微小的像素組成的，而且有紅、藍、綠三種顏色。這些微小的液晶可以個別調控，組合成人類肉眼能見的所有顏色，而且能迅速開關，因此可以用來看電影。瓷也是介觀結構改變而得到的成果，是另一個很好的例子：由不同的玻璃和結晶結構組合在一起，創造出強韌、光滑又色澤豐富的材料。
袖珍尺度由原子結構、納米結構、微觀結構和介觀結構組成，是肉眼剛巧可見的大小。絲線、頭髮、縫針和這本書的鉛字都屬於袖珍尺度。當你欣賞和撫摸木理時，就是在袖珍尺度下感受這些結構的組合。這個尺度的組合讓木頭擁有獨特的質感，堅而不硬、輕巧溫暖。同樣的道理，繩索、毛毯和地毯也都屬於這個尺度，當然衣服也是。那些較小結構在袖珍尺度的組合，造就了這些材料的強度、彈性、味道與觸感。一條棉線的外表可能跟絲或克維拉縴維難以區別，是它們在原子、納米、微觀、介觀和袖珍尺度的結構上有相當差異，讓其中一個足以抵擋利刃，另一個軟若牛油。我們的觸覺就在這個袖珍尺度上跟物質互動。
最後是人的尺度。這個尺度是之前所有結構的集大成者，我們握在手上、放進嘴裡或位於我們體內的東西都屬於此類。這是雕塑和藝術品的尺度，也是管送工程、烹飪、珠寶和建築的尺度。這個尺度的材料都是我們日常所見的物品，如塑料管、油畫顏料、石頭、麵包和螺絲等。這些材料的外表再次顯得整齊劃一，但我們已知道事實並非如此。不過由於這些材料的深刻內涵必須放大才能看見，因此直到20世紀，我們才發現所有物質底下的這個多尺度結構。就是這個多重結構讓我們明白，為何所有金屬雖然外表相似，性質卻南轅北轍，為何有些塑膠柔軟好拉扯，而有些堅硬如石，還有我們為何能把沙子變成摩天大樓。這是材料科學最值得驕傲的成就，因為它解釋了那麼多事情。
設計不同尺度的結構讓我們有能力發明新材料，但21世紀真正的難題在於結合所有尺度的結構，形成人的尺度的物體。雖然智能型手機是這種整合的實例，它結合了介觀尺度的觸控屏幕和納米尺度的電子元件，因此讓整個物體全接上電線，有如佈滿神經線路般，已經不再是不可能的任務。一旦全面實現，我們的房子、建築甚至橋樑都將可以自行發電，傳送到需要的地方，同時能偵測毀損並自我修復。如果你覺得這聽起來像科幻小說，別忘了生物體內的物質早就做到這一點了。
生命與無生命的分野
由於材料的小尺度結構都含納在大尺度結構內，因此物質的體積越大，結構也越複雜。這表示次原子粒子和量子力學的世界雖然常被視為科學最複雜的領域，其實比牽牛花還單純許多。
生物學家和醫師早就明白了這一點。他們的學科長久以來一直是由經驗和實驗法則（而非理論法則）所推動，因為他們的研究對像不但大又有生命，且複雜到無法用理論描述。然而，第228頁的尺度表告訴我們，生命體在概念上其實和無生命體沒有區別。兩者最大的差異在於生命體內部各尺度的聯結更深，不同尺度會彼此溝通，主動組織生命體的內在結構。
無生命體在受到人的尺度的外在壓力時，所有尺度都會受到影響，誘使許多內在機制產生反應，最後可能造成無生命體改變形狀、斷裂、共振或變硬。相較之下，生命體偵測到外力來臨時則會採取某種行動回應，例如擋回去或轉頭逃跑。這類生命反應非常多。樹枝是被動的，大部分時間都表現得像無生命體，貓腿則毫無疑問幾乎隨時都生氣勃勃。而科學的重大問題之一就是：不同尺度間的聯繫加上主動回應，是否足以構成生命現象？這個假說並不是要貶低生命體，而是想抬高無生命物質，它們比外表看上去複雜多了。
從古至今，無論人類科技的發展是快是慢，地球上物質的基本結構方式始終沒有改變。地球上有我們認為有生命的生物，也有無生命的物體，例如岩石、工具和建築等。但隨著我們更瞭解物質，迎來材料的新時代，生命和無生命的界限也模糊了起來。擁有人造器官、骨骼甚至人造大腦的仿生人將變得稀鬆平常。
材料擁有意義
不過，不管我們擁有的軀殼是不是人造的，肉身都不是人的全部。我們還活在非物質的世界裡，一個由心靈、情感與知覺構成的世界。物質世界雖然不同於心靈世界，卻不是毫不相涉。所有人都知道物質世界對心靈的影響有多強烈。坐在舒服的沙發上和坐在木椅上給我們的情緒感受完全不同。這是因為對人類來說，物質從來都不只是實用品。上古考古證據顯示，人類一懂得製造工具，就開始製作首飾珠寶、胭脂、藝術與服裝。這些材料的發明是為了文化與美感，而文化與美感始終是材料科學發展的強大推力。正是由於材料和社會功能關係密切，我們喜歡的材料和出現在我們身旁四周的物質才會那麼重要。材料擁有意義，訴說著我們的理念，讓我們成為我們。
材料的意義在我們的日常生活中隨處可見，和材料的用途密不可分。金屬堅硬而強韌，適合製造機械，但設計師也會刻意使用金屬，好把金屬可靠及強韌的形象注入產品中。金屬外觀是工業設計語言的一部分，象徵著帶給人類大眾運輸和機械時代的工業革命。我們大量製造和塑造金屬的能力也塑造了我們。我們景仰金屬，因為它是我們可靠、堅固又強勁的僕人。我們每次坐上汽車或火車、把衣服放進洗衣機、刮鬍子或剃腿毛，都得倚靠它。
人類有悠久的歷史，使得我們對物質的觀感很難一概而論。我們為了許多理由喜歡金屬，例如工業感，卻也為了同樣的理由而討厭它。每種材料都有許多含意，因此我對本書10種材料所選的形容詞並不是唯一的標準答案。那些形容詞是我選的，所有的內容也都是從我的角度出發的，目的在凸顯一件事：我們每個人都和物質世界有著千絲萬縷的關係，而我只是跟你分享我的觀點。
我們都很善於察覺材料的意義，有時清楚知道，有時莫名瞭解。由於所有物體都由材料構成，因此材料的意義在我們心中無所不在，外界環境也在不斷地轟炸我們。無論在農場或都市、火車或飛機上、圖書館或購物中心，材料的意義都在不斷影響著我們。當然，設計師和建築師都會用這些意義來設計服裝、產品及建築，讓我們愛上它們、認同它們、想把它們留在我們身旁。材料的意義就這樣因我們的集體行為而加強，擁有了普遍的含意。人們購買衣服，通過身上的衣服成為自己希望成為或被迫成為的人。時裝設計師是操作這些意義的高手。但我們在日常生活的每一處都會選擇材料以反映自己的價值觀，從浴室、臥房到客廳都是如此。其他人也會在工作處、都市和機場把他們的價值展示給我們。這是一個持續反思、吸收與表達的過程，它不斷重塑身邊物質對於我們的意義。
然而，重塑不是單行道。我們想要更強韌、舒適、防水和透氣的布料，而為了創造出這種材質，就需要瞭解物質的內在構造。這推動了科學理解，也推動了材料科學的進展。因此，材料確實反映了我們，以多尺度的結構展現了人類的需求與渴望。
最後再看一眼我在屋頂上的照片，希望讀了本書之後，你會開始看到不一樣的東西……
