Materials: A Very Short Introduction（材料科學簡介）

引用

Hall, C. (2014). Materials: A Very Short Introduction. Oxford University Press.

章節概要

本書是牛津大學出版社「Very Short Introductions」（牛津通識讀本）系列中的一本小書，共六章，每章約15–20頁（正文約120頁），其後是延伸閱讀書目與索引。作者克里斯多福·霍爾是愛丁堡大學首位材料學教授，他沒有採用傳統教科書的順序，而是圍繞幾個令人印象深刻的意象來組織全書。各章標題富於暗示，而非直接描述內容。

第1章：金、沙與繩

全書從週期表這個一切材料的來源講起，以三種日常物質代表三大資源族：金代表金屬，沙代表無機材料，繩代表有機材料。其間介紹了金、銀、鐵、銅的原子結構以及由它們製成的合金（青銅、黃銅與鋼），作為玻璃與水泥原料的石英與方解石，以及構成棉花、木材與紙張核心的鏈狀聚合物纖維素。

第2章：近距離觀察

本章主張，理解內部結構是材料科學的核心：沒有這種理解，就既無法解釋材料的行為，也無法改善它。本章追溯這種理解如何得來——從虎克與雷文霍克的顯微鏡，到X射線繞射與具原子解析度的電子顯微鏡——最後介紹二維的石墨烯與一維的奈米碳管。

第3章：強韌卻滑溜

這是討論物理性質的一章，涵蓋密度（以航太工程師與鑽井工程師截然相反的需求為例）、熱膨脹係數、比熱與熱傳導係數。接著轉向機械性質（剛性、強度、硬度、脆性與韌性），把降伏與塑性列為金屬最重要的性質，並討論聚合物分子的彈性與流體的黏度。

第4章：電光藍

討論電學與光學行為：材料為什麼導電或阻礙電流，為什麼透明、不透明、有光澤或帶有顏色。本章從法拉第、西門子、赫茲與愛迪生講起，說明固體中電子的量子理論如何解釋導電現象並支撐半導體技術，也談到超導體、磁性，以及橫跨多種尺度的「虛擬材料」電腦模型。

第5章：製造材料與製造物品

討論加工：玻璃、矽、鎳基超合金、纖維與紡織品以及塑膠如何一步步製成，又如何用於製造其他產品。陶器、磚與磁磚是對照的例子——材料與製品在一次燒製中同時完成。本章最後展望了這個領域的未來。

第6章：如此多的沙

最後一章討論永續性。它指出全球材料體系中的三個問題（二氧化碳排放、能源供應與有限的資源），描述材料流動的龐大規模，並主張發展以修理、再使用與回收為基礎的循環經濟，同時降低材料在經濟中流轉的速度。

核心概念

第1–2章：資源與結構

• 金屬、無機材料與有機材料：金、沙、繩所代表的三大資源族。
• 合金：如青銅、黃銅與鋼等金屬混合物，具有各成分單獨所沒有的性質。
• 內部結構：決定材料行為的原子與晶體排列；要製造更好的材料，往往必須重新設計這種結構。
• 繞射與顯微技術：讓原子尺度結構變得可見的實驗方法。

第3–4章：性質

• 剛性、強度與韌性：彼此獨立的機械性質，分別描述材料對負載的不同反應。
• 降伏與塑性：超出彈性範圍的永久變形，本書視之為金屬最有價值的力學行為。
• 固體中的電子：以量子理論解釋為什麼有些材料導電、有些絕緣、有些是半導體。

第5–6章：製造與永續性

• 加工：把原料變成工程材料、再變成物品的一連串步驟。
• 材料流動：全球開採、使用與廢棄的材料數量。
• 循環經濟：以修理、再使用與回收形成封閉迴圈，取代「開採—製造—使用—丟棄」。

評析

優點

• 以一本小書勾勒整個領域。 六章內容從原子與資源出發，經過結構、性質與加工，一直談到全球規模的材料使用。永續性與資源流動並非附帶一提，而是佔了整個最後一章，牛津的圖書介紹也強調了這一點。
• 具體的著力點。 抽象的分類都由看得見、摸得著的例子承載：金、沙、繩代表材料族；鑽井泥漿中的重晶石說明密度；玻璃、矽、超合金與陶器說明加工。初學者能把每個概念與熟悉的事物連結起來。
• 在歷史脈絡中講科學。 關於結構與電學行為的兩章講述了觀念如何發展——從早期顯微鏡到繞射與量子理論——有助於讀者理解現代的解釋為何可信。
• 為初學者而寫。 牛津將這個系列定位為幫助讀者迅速進入新領域，其介紹也把本書呈現為從鋼、木材、橡膠到金、矽、石墨烯的一趟導覽，而不是一門課程。

局限

• 不是教科書。 目錄從六章直接接到延伸閱讀與索引，沒有習題，也沒有資料附錄。它說明這個領域研究什麼，卻不教材料課程考試所要求的計算。
• 涵蓋面刻意不均。 每章約20頁而涉獵廣泛，第一門材料課程中的核心主題，如相圖、疲勞或腐蝕，並未出現在牛津提供的各章摘要中。讀者不應把它當作課程大綱。
• 章名富於暗示。 「電光藍」「強韌卻滑溜」之類的標題很少透露內容，因此本書較適合通讀，而不是查閱特定主題；索引可以在這方面彌補。

在課程中的定位

在材料課程的書單中，本書最短、技術性最低，是自然的入門讀物，最適合在以完整教科書為主的課程開始之前或頭幾週閱讀。艾希比、雪克利夫與塞邦的 Introduction to Materials Science and Engineering: A Design-Led Approach 從設計對材料的需求出發；卡利斯特與雷思維什的 Materials Science and Engineering: An Introduction 則從原子鍵結與晶體結構逐步建立。霍爾的各章與兩者都能對應：第2章預習結構各章，第3章預習機械與熱性質，第4章預習電、磁、光性質，第5章預習加工，第6章預習永續性內容。

書單中的專書——波特、伊斯特林與謝里夫關於相變態的著作，以及邁耶斯與喬拉關於力學行為的著作——遠遠超出本書的範圍。霍爾提供的只是讓這些書更容易入門的詞彙與學習動機。

如何使用本書

本書適合正在考慮是否攻讀材料或相關工程學位的高中畢業生、希望先了解全貌再深入細節的大一學生，以及需要了解材料科學研究範圍的物理、化學或設計科系學生。作為一套為初學者撰寫的叢書，具備高中自然科知識就已足夠。

• 整本通讀。 正文約120頁，兩三次即可讀完，而且各章層層遞進：結構（第2章）解釋性質（第3–4章），加工（第5章）展示材料與物品如何製成。
• 帶著目的閱讀。 閱讀時記下出現的每種材料及其所屬的族。整理一張表，列出金屬、陶瓷與無機材料、聚合物與天然材料，每類附上一種性質，可以成為通往最初幾堂課的橋梁。
• 日後重讀。 第一門課結束時值得重讀第6章，那時可以把其中對材料流動的討論與這段期間學到的性質與加工知識連結起來。
• 善用延伸閱讀。 書末的書目為想深入了解某一章的讀者指出進一步閱讀的方向。