這個(gè)故事開始于 19 世紀(jì)末的美國，轟轟烈烈的“鍍金時(shí)代”。

里奧·亨德里克·貝克蘭（Leo Hendrik Baekeland），1863 年出生于比利時(shí)。他出身平凡，父親是個(gè)普通工匠，而母親是個(gè)仆人。但他憑借著對知識(shí)的愛好，讀上了大學(xué)并繼續(xù)深造、最后成為了化學(xué)教授。1889 年，他移居美國，投入了工業(yè)制造行業(yè)。

1905 年，他第一次人工合成了一種叫“酚醛樹脂”的產(chǎn)物，是世界上第一種完全由人工合成的塑料。他隨后注冊了這種塑料的專利，以自己的名字命名（Bakelite，中文翻譯為“電木”或者“膠木”），并投入了大量生產(chǎn)，而他也在1940 年 5 月 20 日被《時(shí)代》周刊稱為“塑料之父”。

那么，這個(gè)過程是怎么回事？我們又能從中學(xué)到什么呢？下面咱們就來聊聊。

一些古老的電話，外殼材料就是電木。圖片來源：pixabay

新材料在召喚

塑料這種廉價(jià)的工業(yè)產(chǎn)品，突破了天然材料的限制，絕緣、穩(wěn)定、耐腐蝕，從而成為了萬用材料，而貝克蘭自己也憑借著這個(gè)發(fā)明成為了工業(yè)大亨。

這個(gè)故事乍一看是一個(gè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用，并且獲得巨大成功的故事。然而，塑料的誕生并不是一帆風(fēng)順的。而貝克蘭能夠合成出塑料，也有著相當(dāng)多的機(jī)緣巧合。

那時(shí)候，參與化工材料行業(yè)的人，大致都抱著兩個(gè)目的，一個(gè)是代替天然材料，另一個(gè)是開發(fā)絕緣材料。工業(yè)革命之后，中產(chǎn)階級(jí)崛起，對于高檔消費(fèi)品的需求大大提高。一部分人想要用人工材料來取代天然材料，例如象牙、瑪瑙、琥珀等等，使其可以量產(chǎn)。

舉個(gè)例子，當(dāng)時(shí)的消費(fèi)市場，對臺(tái)球的需求非常高，但如果使用象牙來造的話，一根象牙也就能制作 8 個(gè)臺(tái)球，產(chǎn)量可想而知，于是開發(fā)新材料變得有利可圖。

圖片來源：pixabay

在不斷摸索中，人們發(fā)現(xiàn)，天然含纖維的材料，例如木頭、棉花等，經(jīng)過一些處理，加入硝酸和樟腦并加熱，就能形成具有可塑性的材料，能倒模做成不同的樣子，質(zhì)感和象牙非常類似。這種材料被稱為“賽璐珞”（celluloid）。

然而，這種材料有一個(gè)十分致命的缺點(diǎn)：易燃。而臺(tái)球又不斷地承受著擊打，配上易燃的賽璐珞材料可謂是定時(shí)炸彈，也難怪當(dāng)時(shí)的臺(tái)球廳里偶爾會(huì)傳來可疑的爆響了。畢竟，賽璐珞主要成分是硝化纖維，的確很不穩(wěn)定。不信你在安全空曠周圍沒有易燃物的地方，用打火機(jī)點(diǎn)個(gè)乒乓球（主要成分是賽璐珞），就能稍微感受到這玩意燒起來有多快。

而另一種需求，則來自新興的電力行業(yè)。

電力的崛起帶來了對于合成材料的渴求，人們想要找到一個(gè)可以便宜、量產(chǎn)的合成材料，以滿足電線線路的絕緣需求。類似于橡膠的東西是他們的“范本”，但即使熱帶殖民地的橡膠種植園開足馬力，也趕不上電力擴(kuò)張的腳步。但那時(shí)候，合成材料的“技能點(diǎn)”還根本點(diǎn)不了那么遠(yuǎn)，人們對于好材料的想象也十分有限。

更關(guān)鍵的問題在于，在當(dāng)時(shí)，無論是找天然材料的代替物，還是找絕緣材料，其實(shí)都和真正的化學(xué)研究距離比較遠(yuǎn)。那么化學(xué)家那時(shí)候在干什么呢？

答案近在眼前，但是……

其實(shí)，當(dāng)時(shí)的化學(xué)家距離“正確答案”已經(jīng)很近了。早在 1872 年，德國化學(xué)家阿道夫·馮·拜爾（Adolf von Baeyer）就發(fā)現(xiàn)，苯酚和甲醛反應(yīng)后，會(huì)有一些無色、樹脂狀、渾濁的殘留物遺留。但這些殘留物，被當(dāng)時(shí)的化學(xué)家當(dāng)作垃圾丟棄了。

這不能怪化學(xué)家“有眼無珠”，這是因?yàn)槟菚r(shí)候的化學(xué)行業(yè)，很大一部分注意力都集中在染料上，甚至后來的制藥行業(yè)，都是由染料的制造而衍生出來的。鼎鼎大名的“百浪多息”（Prontosil），世界上第一種人工合成的抗生素，前身就是一種紅色染料，開發(fā)的公司名為法本（Farben），也是德語的“顏色”的意思。一心尋找純凈染料的化學(xué)家，對這種看起來沒什么用的殘留物，當(dāng)然也就不太感冒了。

說回到貝克蘭本人。他在投入制造業(yè)之前，的的確確是化學(xué)研究出身，即使當(dāng)時(shí)化學(xué)作為一個(gè)學(xué)科發(fā)展還沒有后來那么成體系，但也系統(tǒng)地訓(xùn)練了他對學(xué)科的敏感，特別是對實(shí)驗(yàn)的高度重視。

在他來美國之前，他在比利時(shí)的根特大學(xué)教授化學(xué)，而他研究的是照相化學(xué)，也就是如何使用各種手段優(yōu)化成像技術(shù)。他的研究內(nèi)容，就是研究各種化學(xué)反應(yīng)的催化劑和條件，控制各種變量，以觀察成品的不同。

這一方面讓他擁有了化工制品行業(yè)的人所沒有的、對各種條件和元素的敏感，另一方面，他也得以接觸到當(dāng)時(shí)一些前沿的、新的材料，并將實(shí)驗(yàn)室制品批量生產(chǎn)，比如他參與發(fā)明的一種叫 Volex 的相紙，最后被柯達(dá)公司買走專利?？偨Y(jié)起來就是，貝克蘭既懂研究，同時(shí)也很注重新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)能拿來做什么。

憑借著對化學(xué)反應(yīng)和合成材料制造的雙重敏感，他敏銳地發(fā)現(xiàn)了苯酚和甲醛反應(yīng)的“副產(chǎn)品”的潛力，并在不斷試錯(cuò)中，最后合成了酚醛樹脂塑料并申請了專利。

貝克蘭的啟示

如果我們只是看到貝克蘭的成功，那就有點(diǎn)落入科學(xué)“勵(lì)志爽文”的俗套了，下面咱們稍微深入一點(diǎn)分析一下。

貝克蘭的成功，有幾分時(shí)勢造英雄的偶然，但也揭示了科技創(chuàng)新中的一個(gè)重要元素：突破性的創(chuàng)新，往往來自于對既有框架的打破?？茖W(xué)技術(shù)研究學(xué)者、荷蘭社會(huì)學(xué)家維比·拜克爾（Wiebe E. Bijker）用“技術(shù)框架”（technological frame）一詞解釋了這個(gè)現(xiàn)象：人們在探索新的技術(shù)發(fā)明的時(shí)候，并不是沒有方向的，往往是出自于一套既有的框架。

而這個(gè)框架，定義了“什么是目標(biāo)”“什么是當(dāng)下的問題”，以及如何解決問題的邏輯，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展相應(yīng)的策略、采取相應(yīng)的手段、應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)。這樣的框架有助于集中資源，解決問題，但有時(shí)候也會(huì)導(dǎo)致我們錯(cuò)過重要的新發(fā)現(xiàn)。

回到塑料的發(fā)明過程，我們也能看到這樣的框架。

首先，那時(shí)候人們還不知道什么是“塑料”，在發(fā)明的過程中，人們只是站在他們既有的框架上，從已經(jīng)定義好的問題和解決方式中，探索一個(gè)方案。像當(dāng)時(shí)材料行業(yè)的人們，因?yàn)橐呀?jīng)有了賽璐珞，他們的重點(diǎn)是要使賽璐珞不那么易燃，靠通過更換溶液、調(diào)整反應(yīng)和制模溫度、摻入穩(wěn)定劑等等來解決問題。而當(dāng)時(shí)他們對于材料的想象，也只建立在天然材料之上，然后再加入制作成本、制作工藝等考慮，這個(gè)框架在當(dāng)時(shí)已經(jīng)成熟，但卻有無法解決的瓶頸：只能改良，難以突破。

而另一邊的化學(xué)家呢，他們的技術(shù)框架是截然不同的。合成染料及其相關(guān)制劑的目標(biāo)，是尋找到并盡可能提取出一種純凈的化合物，而其他的產(chǎn)物只是垃圾，或者“副產(chǎn)品”罷了。在苯酚和甲醛的反應(yīng)中，那種樹脂狀的“塑料”原型，很難進(jìn)行提純，因此被那時(shí)候大部分的化學(xué)家所忽略。

這種既有的框架，提供了清楚的目標(biāo)和行為路徑，能夠幫助人們不斷地優(yōu)化現(xiàn)有的發(fā)明和產(chǎn)品。但突破性新發(fā)明的關(guān)鍵，就在于它的“新”，在于它的不可預(yù)知。著名歷史社會(huì)學(xué)家托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn）在對于科學(xué)發(fā)展的研究中，也提出了相似的概念，即“范式”（Paradigm）。范式能夠助益常規(guī)科學(xué)的發(fā)展，但類似于相對論、量子力學(xué)等全新的科學(xué)概念的誕生，則需要有完全不同的范式，打破原有的解釋框架。

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機(jī)會(huì)總是留給有準(zhǔn)備的人，也留給了能夠打破既有框架，進(jìn)行開放式的想象和觀察的人。貝克蘭的塑料帝國，是時(shí)勢造英雄，也是具有膽識(shí)的靈活的思考的成果。

這種思考，往往是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的。而我們的創(chuàng)新，也不是對于“標(biāo)準(zhǔn)答案”的追求，不能僅僅局限于對于規(guī)模和投入的計(jì)算，也不宜限定領(lǐng)域和框架。當(dāng)下，許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域都極度專業(yè)化，專業(yè)之間的交流就顯得尤其重要。技術(shù)的創(chuàng)新，也不是一個(gè)人、一個(gè)發(fā)明能夠促進(jìn)的。未來的科技進(jìn)步，需要不同社會(huì)群體、不同認(rèn)知框架的交鋒和切磋，才能不斷地打破既有框架的束縛。

參考文獻(xiàn)

[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.

策劃制作

本文為科普中國-星空計(jì)劃作品

出品｜中國科協(xié)科普部

監(jiān)制｜中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨鄭李 科普創(chuàng)作者

審核丨李宗鵬 國家輕工業(yè)塑料產(chǎn)品質(zhì)量中心 高級(jí)工程師

策劃｜丁崝

責(zé)編丨丁崝

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