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》。

这是一本介绍液体及其特性的材料学科普书。作者马克·米奥多尼克用专业的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。

一位机智、聪明的作者，拥有极高的天赋。

——比尔·盖茨

米奥多尼克在这本有趣的书中加入了很多“我从来不知道”的信息。他不仅知道他的专业知识，同样重要的是，他知道如何讲一个好故事。

——吉姆·阿尔-哈里里，物理学家、科普作家，霍金科学传播奖得主

液体，是物质zui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

这本迷人的新书由畅销书作者、科学家和工程师马克·米奥多尼克所著。我们每天都会遇到水滴、心跳和海浪。他以飞机旅行为背景，讲述了从水、胶水到咖啡、葡萄酒等各种物质的遭遇。他向我们展示了这些液体是如何带来死亡和毁灭，以及如何创造奇迹和魅力的。

——2018英国皇家学会科学图书奖

米奥多尼克在一趟从伦敦到旧金山的跨大西洋航班上，以途中遇到的各种液体作为载体，精彩地揭示了其中的材料学知识。他生动地分析了航空煤油、饮料车里的葡萄酒、把飞机粘在一起的胶水、机上的液晶显示器、机舱外的云层，等等。

——《金融时报》2018年年度图书奖

这本书完全兑现了它的承诺……阅读它就像一次解疑释惑的疗愈。不愧是一本极具可读性的获奖科普书。

——《星期日泰晤士报》

再一次，米奥多尼克写了一本令人兴奋、无拘无束、充满惊喜的书，正如书中描述的那些液体。它像大海一样，覆盖了方方面面的知识。这本书就像一杯完美的茶，温暖、舒适、令人耳目一新。

——《卫报》

米奥多尼克的吸引力不仅在于他能让复杂的科学知识变得通俗易懂，还在于他敏锐的社会观察能力……这本书新颖且有趣。

——《金融时报》

第1章 易燃易爆的航空煤油、橄榄油、柴油、硝化甘油

随着机舱门关闭，我们的飞机从希思罗机场的停机口推离，有一个声音宣布：“现在开始广播起飞前安全须知。

“女士们，先生们，下午好，欢迎搭乘本次大英航空飞往旧金山的航班。起飞之前，请注意一下，现在由机组人员向您指出飞机上的安全设施。”

我一直认为这是一种令人不安的起飞方式，因为我很确信这是个谎言，安全手册根本不是真的与安全有关。首先，他们压根忘了提飞机上的数万升液体。这些液体中蕴含的巨大能量足以让我们飞完全程，正是它的易燃性使喷气式引擎充满动力。对我们来说，引擎将跑道上这架载有400名乘客、重达250吨的飞行器从静态推至每小时 500英里的巡航速度以及4万英尺的飞行高度，只需要花费几分钟。这种液体蕴含着令人敬畏的力量，点燃我们最狂野的梦想。它让我们在云端遨游，可以抵达世界上的任何一个地方。将第一位宇航员尤里•加加林送往太空的火箭中，装的也是这种液体，它还是最新一代Space X火箭所用的燃料，可以将卫星发射到太空中。它就是航空煤油。

航空煤油是什么？

航空煤油是一种无色、透明的液体，令人困惑的是，它看上去几乎与水一模一样。那么，它那巨大的能量贮藏在何处？能量又是从何而来的？为什么液体内部储存着这么多原始能量却没有使它变得更像糖浆或者更危险呢？还有，为什么它没有在起飞前的安全须知中被提及？

如果你能将“镜头”放大到原子层面，就会看到航空煤油的结构很像意大利面。每一根“面条”的骨架都由很多碳原子构成，它们依次键合在一起。每个碳原子都与两个氢原子相连，除了分子末端的那两个碳原子，它们是和三个氢原子相连的。在这个观察层面下，你就可以很轻松地说出航空煤油与水的差别了。水没有面条状的结构，只有一堆杂乱无章的“V”形小分子（一个氧原子与两个氢原子相连，H2O）。你肯定不会混淆，航空煤油看起来更像是橄榄油，而橄榄油也是由碳原子骨架的分子胡乱堆砌而成的。不过，航空煤油中的原子串更像意大利面，橄榄油中的原子串却生出很多枝节并缠绕在一起。

图注：煤油中一种烃类分子的结构

因为橄榄油的分子形态比航空煤油的分子更复杂，对它们来说，摇摆着越过其他分子的难度也就更大，因此不那么容易流动。换句话说，橄榄油比航空煤油更黏稠。它们都是油类物质，在原子层面来看也比较相似，但是因为结构上的差异，橄榄油就是黏糊糊的，航空煤油却能像水一样倾倒而出。这一差异不仅决定了这些油的黏度，也决定了易燃程度。

波斯的医生、炼金术士拉齐（Rhazes）将一些关于煤油的发现记录在了他于9世纪完成的著作《秘典》中。拉齐对他所在地自然产生的喷泉非常感兴趣，这些喷泉喷出的不是水，而是一种黏稠且含硫的黑色液体。当时，这种像焦油一样的材料被提取出来，人们用它铺路，它本质上就是古代版的沥青。拉齐发明了特殊的化学工艺来研究这种黑色的油，如今我们将这种工艺称为蒸馏。他将液体加热，并收集了其中排出的各种气体。然后，他将这些气体再次冷却成液体。他最初提取的液体是黄色的油状物，但经过再次蒸馏之后，它们就变成了清澈透明、可以自由流动的物质。拉齐发现了煤油。

这种液体将为世界做出的贡献，当时的拉齐不可能都想得到，但他知道它是易燃的，还会形成没有烟雾的火焰。如今看来，这一发现似乎是微不足道的，但对于任何一个古代文明而言，室内照明都是个大问题。当时，油灯采用的是最先进的制灯技术，在很长一段时间里，油灯在点燃的时候总是会产生很多油烟。无烟油的灯可以说是革命性的发明，以至于其重要性在阿拉丁的故事中广为流传。这个故事出自《一千零一夜》，阿拉丁发现了一盏油灯，那是一盏有魔力的灯。当他擦拭灯的时候，一只强大的妖怪被他释放出来。这个妖怪注定要服从这盏灯的主人，这可了不得。当时的神话故事中经常会出现妖怪，据说它们是由无烟火焰炼出的超自然物种。这种新液体的重要性以及它制造出无烟火焰的能力，炼金术士拉齐肯定会记录下来。那么，为什么当时的波斯人没有开始使用这种新“魔法”呢？一部分原因在于橄榄树在他们的经济与文化中所占据的重要地位。

橄榄油为波斯人送去光明

9世纪时，橄榄油是作为波斯油灯燃料的不二选择。在这一地区，橄榄树生长得十分茂盛，不仅耐干旱，还出产大量橄榄果，橄榄果被压榨后便可得到橄榄油。大约20颗橄榄果就可以榨出一汤勺的橄榄油，这足以供一盏油灯照明1个小时。如果一个家庭每晚需要照明5个小时，那么一天就要用掉100颗橄榄果，一年就要用掉3.6万颗橄榄果，这还只是供一盏灯。波斯人为了让他们的帝国出产足够多的油用于照明，就需要大量的土地和时间，因为橄榄树通常在种下的前20年里不会产果。波斯人还要保护他们的土地，以防被那些觊觎这一宝贵资源的人夺走，所以他们要管理城镇，而这就意味着需要更多的橄榄树，以便所有人都能烹饪和照明。为了供给一支军队，他们需要为之缴税，而在波斯，缴税就是向政府上缴一部分橄榄果。因此你会发现，橄榄油是波斯的社会与文化核心，所有中东文明都是如此，直到他们发现新能源和税收替代物。拉齐的实验证明，这种新能源就在他们的脚下，但它还要继续待上1000年。

与此同时，油灯也在进化。9世纪的油灯设计看起来很简单，却出人意料地精巧。如果这是一碗橄榄油呢？如果你想将它点燃，就会发现这十分困难。之所以不易，是因为橄榄油具有非常高的闪点。闪点，是指可燃液体与空气中的氧气自发反应并形成火焰的最低温度。橄榄油的闪点是315℃，所以使用橄榄油烹饪非常安全。如果你将它溅到了厨房里，它不会立即被点燃。而且，煎炸大多数食物时，你只需要将温度加热到200℃左右，这仍然比橄榄油的闪点低了100多摄氏度。因此，用橄榄油烹饪菜肴很轻松，不会出现油滴爆燃的情况。

不过，被加热到315℃时，你的橄榄油锅会突然变成火焰，并发出大量的光。这个过程不仅异常危险，火焰也昙花一现，飞快地消耗掉所有燃料。你一定在想，是否还有比点燃橄榄油更好的照明方法，当然有。如果你将一根棉线浸入油中，只露出一截线头儿，然后将其点燃，棉线的顶端就会产生一抹明亮的火焰，这样就不需要点燃整个锅里的油了。生成火焰的不是棉线，而是从棉线中渗出的油。这个办法十分巧妙，但还能进一步改进。如果你想让它继续燃烧，火焰不会向下烧到油中，油反而会顺着棉线向上爬，只有在它到达顶部时才会被点燃。这可以让火焰燃烧数小时之久，实际上，只要碗里有油，火就不会灭。油能无视重力的存在而自由移动，这一过程叫作芯吸效应。看起来似乎有些不可思议，但这是液体的基本性质，因为它拥有一种叫作表面张力的特性。

液体具有流动特性，因为它的结构处于混沌的气态与“监狱般”的固态（对分子而言）之间，是一种过渡状态。在气体中，分子具有足够多的热能，可以互相挣脱并自主运动。这就使气体具有动态性，它们可以膨胀，直到填满所有可用的空间，但它们几乎没有结构。在固体中，原子和分子间的吸引力比它们拥有的热能更强，这使它们紧密地结合在一起。因此，固体具有很多结构，却几乎没有自主性。当你拿起一只碗的时候，碗上的所有原子都一起运动，形成一个整体。液体是两者的中间状态，原子具有的热能足以打破它们与相邻原子的一部分结合力，却又不足以打破与所有原子的联系而变为气体。因此，它们只能被困于液体中，却又能在其中四处移动。这便是液体的本质——一种物质形态，分子可以自由徜徉，与其他分子不断地建立或切断联系。

液体表面的分子所处的环境与液体内部的那些分子不同。它们并没有完全被其他分子包围，所受到的平均作用力要低于液体内部的分子。表面分子与内部分子受力不平衡，形成了一股张力，我把它称为“表面张力”。这股力非常小，却又大到足以抵抗施加在小型物体上的重力，这也是一些昆虫能在池塘水面上行走的原因。

仔细看一下水黾在水面上行走的过程，你会发现它的腿是被水抵开的。之所以会这样，是因为水和虫腿之间的表面张力产生了排斥力，并抵消了重力。而一些固液界面的作用力正好相反，形成的是分子间的引力，水和玻璃就是如此。观察玻璃杯中的水，你会发现水接触玻璃杯的边缘部分像是被拽了上去，我们称之为“弯月面”，这也是一种表面张力效应。

神奇的“芯吸效应”

植物精通于同样的戏法。它们可以无视重力，利用一种贯穿于根、茎、叶的微型导管系统，将水从地面吸到植物内部。由于这些导管极其细微，因此导管的内表面积与液体体积的比值也急剧上升，所以表面张力效应也变得显著。因此，商家会售卖“微纤维”布料用于擦洗玻璃，这种布料含有类似于植物的毛细管道，能够快速吸收水分，帮人们更高效地完成清洁工作。厨房用纸能擦掉溅出的液体，运用的也是这一原理。这些都是芯吸效应的例子，表面张力同样会让油沿着棉线往上爬，更准确地说，是沿着灯芯往上爬。

如果没有芯吸效应，蜡烛就无法被点亮。当你点燃烛芯时，热量会将蜡熔化，并形成一个充满蜡液的小池子。液态的蜡顺着微管向烛芯上方移动，直抵火焰，向火焰输送一些新的蜡液供其燃烧。如果你选择了合适的烛芯材料，火焰燃烧时的热量足以形成一个蜡液小池，从而确保燃料稳定地流动。这种看似复杂的系统具有自主调节能力，不需要我们投入太多。虽然如今已不再将蜡烛当作一种神秘物质，但它们确实如此精妙。

数千年来，芯吸效应都是全球各地室内照明应用的基本原理，不管是蜡烛还是油灯。如果没有这两种照明工具，这世上的夜晚便会永远堕入黑暗。正如你猜到的，油灯在油料作物充足的地区比较受欢迎，蜡烛则主要是在石蜡或动物脂肪更容易获取的地区被使用。然而，尽管设计巧妙，蜡烛和油灯还是有一些缺点。除了显而易见的火灾风险，它们还会产生油烟，火焰的亮度不高，异味和经济成本高也是大问题。这便意味着，总有人会去寻找更优质、更便宜且更安全的照明方式。拉齐在9世纪时发现的煤油，如果有人注意到的话，或许就能成为解决方案。

飞机上的“起飞前安全须知”正在卖力地播报着，乘务员们忽视了航空煤油的重要性，直到现在都没有提及一句，尽管这种革命性的液体此时此刻正在被喷射到机翼下方的喷气式引擎中，为飞机在跑道上的滑行提供动力。而他们正在播报着当“机舱失压”时应该怎么做。作为一名英国人，我很感激这个词的保守性，因为听上去这好像不是什么大事。然而，“机舱失压”意味着当飞机在很高的海拔巡航时，如果机舱突然出现了一个洞或一条裂痕，所有的空气，连同那些没有系上安全带的人，都会被吸出舱外。这时，通常不会有足够的氧气来供人们呼吸，所以氧气面罩就被设计成从座位顶部落下。飞机会立即开始陡降，回落到氧气较多的低海拔区域。直到这时，存活下来的人才算是真正安全了。

缺少氧气，对于古代的油灯来说同样是个问题。这种油灯设计没有让燃料接触足够多的氧气并完全燃烧，这也是火焰的光会比较暗淡的原因。在18世纪，这仍然是个问题，直到一位名叫艾梅•阿尔冈（Ami Argand）的瑞士科学家发明出一种新型油灯，使用套筒状的灯芯，并用透明的玻璃灯罩予以保护。这样设计，空气就可以从火焰中间穿过，从根本上增加了氧气的输送量，油灯的燃烧效率和亮度也相当于六七根蜡烛。这一革新还最终证实了，橄榄油和其他植物油并不是理想的燃料。要想获得更高的亮度，就需要更高的温度、更快的芯吸效应，而芯吸的速度则取决于液体的表面张力与黏度。为了寻找更便宜、黏度更低的燃油，人们开展了更多的实验。悲催的是，很多鲸因此而死亡。

通过熬煮鲸脂条可以获得鲸油。鲸脂释放出来的油，呈清澈的蜂蜜色。它并不是很好的烹饪或食用油，但230℃的闪点与较低的黏度让它非常适用于油灯。

阿尔冈油灯的鲸油用量，在18世纪末期出现突飞猛进的增长，特别是在欧洲和北美地区。在1770到1775年间，马萨诸塞州的捕鲸人每年生产4.5万桶鲸油以满足市场需求，捕鲸业因室内照明而蓬勃发展，成为一个大产业，部分种类的鲸因此而濒临灭绝。据估计，到19世纪时，人们为了获取鲸油，已经屠杀了超过25万只鲸。

最完美的灯油

这种情况不能再继续下去，况且室内照明的需求还在不断增长。随着人口数量越来越多、人们越来越富裕，教育问题也越来越受到重视，在夜晚读书与娱乐的文化开始流行起来，对燃油的需求随之增长，发明家和科学家的压力也越来越大。其中，有位名叫詹姆斯•扬（James Young）的苏格兰化学家在1848年发现了一种从煤炭中提取液体的方法，并将这种液体放在油灯中燃烧，效果非常好。加拿大发明家亚伯拉罕•格斯纳（Abraham Gesner）也发现了这一产品，并称之为煤油。这本来也不算什么大事，令人始料未及的是，它恰好发生在美国南北战争爆发之前，捕鲸船成为军事目标，向其他灯油征税为新发现的煤油创造了立足之地。不过，煤油产业一直未能真正地发展起来。没过多久，发明家们就不再围着煤炭打转，转而研究一种在煤矿附近经常可以发现的黑色油体。这种必须用泵从地下抽取的原油，是散发刺鼻气味的黑色黏稠物质。不过，在使用这种原料前，他们还得先学会蒸馏，也就是最初由拉齐使用的古老工艺。这门生意非常赚钱，这一次，妖怪真的从灯里冒了出来……

目录

1. 易燃易爆的航空煤油、橄榄油、柴油、硝化甘油

2. 令人迷醉的葡萄酒、香水

3. 无坚不摧的波浪、液态核燃料

4. 黏结万物的树胶、动物明胶、橡胶、强力胶

5. 如梦如幻的液晶

6. 人体分泌的唾液、汗液、眼泪

7. 提神醒脑的茶、咖啡

8. 清洁杀菌的肥皂、洗衣液、洗发水、洗手液

9. 对抗高温的氟氯烃、全氟化合物 、丁烷

10. 永不褪色的墨水、油墨

11. 呼云唤雨的积雨云、雾

12. 缓慢流动的地幔、冰川、熔岩

13. 可持续性的焦油