這個故事開始于 19 世紀末的美國，轟轟烈烈的 " 鍍金時代 "。
裏奧 · 亨德裏克 · 貝克蘭（Leo Hendrik Baekeland），1863 年出生于比利時。他出身平凡，父親是個普通工匠，而母親是個仆人。但他憑借着對知識的愛好，讀上了大學并繼續深造、最後成爲了化學教授。1889 年，他移居美國，投入了工業制造行業。
1905 年，他第一次人工合成了一種叫 " 酚醛樹脂 " 的産物，是世界上第一種完全由人工合成的塑料。他随後注冊了這種塑料的專利，以自己的名字命名（Bakelite，中文翻譯爲 " 電木 " 或者 " 膠木 "），并投入了大量生産，而他也在 1940 年 5 月 20 日被《時代》周刊稱爲 " 塑料之父 "。
那麽，這個過程是怎麽回事？我們又能從中學到什麽呢？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
塑料這種廉價的工業産品，突破了天然材料的限制，絕緣、穩定、耐腐蝕，從而成爲了萬用材料，而貝克蘭自己也憑借着這個發明成爲了工業大亨。
這個故事乍一看是一個知識轉化爲應用，并且獲得巨大成功的故事。然而，塑料的誕生并不是一帆風順的。而貝克蘭能夠合成出塑料，也有着相當多的機緣巧合。
那時候，參與化工材料行業的人，大緻都抱着兩個目的，一個是代替天然材料，另一個是開發絕緣材料。工業革命之後，中産階級崛起，對于高檔消費品的需求大大提高。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，使其可以量産。
舉個例子，當時的消費市場，對台球的需求非常高，但如果使用象牙來造的話，一根象牙也就能制作 8 個台球，産量可想而知，于是開發新材料變得有利可圖。
圖片來源：pixabay
在不斷摸索中，人們發現，天然含纖維的材料，例如木頭、棉花等，經過一些處理，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，質感和象牙非常類似。這種材料被稱爲 "賽璐珞"（celluloid）。
然而，這種材料有一個十分緻命的缺點：易燃。而台球又不斷地承受着擊打，配上易燃的賽璐珞材料可謂是定時炸彈，也難怪當時的台球廳裏偶爾會傳來可疑的爆響了。畢竟，賽璐珞主要成分是硝化纖維，的确很不穩定。不信你在安全空曠周圍沒有易燃物的地方，用打火機點個乒乓球（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。
電力的崛起帶來了對于合成材料的渴求，人們想要找到一個可以便宜、量産的合成材料，以滿足電線線路的絕緣需求。類似于橡膠的東西是他們的 " 範本 "，但即使熱帶殖民地的橡膠種植園開足馬力，也趕不上電力擴張的腳步。但那時候，合成材料的 " 技能點 " 還根本點不了那麽遠，人們對于好材料的想象也十分有限。
更關鍵的問題在于，在當時，無論是找天然材料的代替物，還是找絕緣材料，其實都和真正的化學研究距離比較遠。那麽化學家那時候在幹什麽呢？
答案近在眼前，但是……
其實，當時的化學家距離 " 正确答案 " 已經很近了。早在 1872 年，德國化學家阿道夫 · 馮 · 拜爾（Adolf von Baeyer）就發現，苯酚和甲醛反應後，會有一些無色、樹脂狀、渾濁的殘留物遺留。但這些殘留物，被當時的化學家當作垃圾丢棄了。
這不能怪化學家 " 有眼無珠 "，這是因爲那時候的化學行業，很大一部分注意力都集中在染料上，甚至後來的制藥行業，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，開發的公司名爲法本（Farben），也是德語的 " 顔色 " 的意思。一心尋找純淨染料的化學家，對這種看起來沒什麽用的殘留物，當然也就不太感冒了。
說回到貝克蘭本人。他在投入制造業之前，的的确确是化學研究出身，即使當時化學作爲一個學科發展還沒有後來那麽成體系，但也系統地訓練了他對學科的敏感，特别是對實驗的高度重視。
在他來美國之前，他在比利時的根特大學教授化學，而他研究的是照相化學，也就是如何使用各種手段優化成像技術。他的研究内容，就是研究各種化學反應的催化劑和條件，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，他也得以接觸到當時一些前沿的、新的材料，并将實驗室制品批量生産，比如他參與發明的一種叫 Volex 的相紙，最後被柯達公司買走專利。總結起來就是，貝克蘭既懂研究，同時也很注重新發現的物質能拿來做什麽。
憑借着對化學反應和合成材料制造的雙重敏感，他敏銳地發現了苯酚和甲醛反應的 " 副産品 " 的潛力，并在不斷試錯中，最後合成了酚醛樹脂塑料并申請了專利。
貝克蘭的啓示
如果我們隻是看到貝克蘭的成功，那就有點落入科學 " 勵志爽文 " 的俗套了，下面咱們稍微深入一點分析一下。
貝克蘭的成功，有幾分時勢造英雄的偶然，但也揭示了科技創新中的一個重要元素：突破性的創新，往往來自于對既有框架的打破。科學技術研究學者、荷蘭社會學家維比 · 拜克爾（Wiebe E. Bijker）用 " 技術框架 "（technological frame）一詞解釋了這個現象：人們在探索新的技術發明的時候，并不是沒有方向的，往往是出自于一套既有的框架。
而這個框架，定義了 " 什麽是目标 "" 什麽是當下的問題 "，以及如何解決問題的邏輯，然後在這個基礎上發展相應的策略、采取相應的手段、應用相應的技術。這樣的框架有助于集中資源，解決問題，但有時候也會導緻我們錯過重要的新發現。
回到塑料的發明過程，我們也能看到這樣的框架。
首先，那時候人們還不知道什麽是 " 塑料 "，在發明的過程中，人們隻是站在他們既有的框架上，從已經定義好的問題和解決方式中，探索一個方案。像當時材料行業的人們，因爲已經有了賽璐珞，他們的重點是要使賽璐珞不那麽易燃，靠通過更換溶液、調整反應和制模溫度、摻入穩定劑等等來解決問題。而當時他們對于材料的想象，也隻建立在天然材料之上，然後再加入制作成本、制作工藝等考慮，這個框架在當時已經成熟，但卻有無法解決的瓶頸：隻能改良，難以突破。
而另一邊的化學家呢，他們的技術框架是截然不同的。合成染料及其相關制劑的目标，是尋找到并盡可能提取出一種純淨的化合物，而其他的産物隻是垃圾，或者 " 副産品 " 罷了。在苯酚和甲醛的反應中，那種樹脂狀的 " 塑料 " 原型，很難進行提純，因此被那時候大部分的化學家所忽略。
這種既有的框架，提供了清楚的目标和行爲路徑，能夠幫助人們不斷地優化現有的發明和産品。但突破性新發明的關鍵，就在于它的 " 新 "，在于它的不可預知。著名曆史社會學家托馬斯 · 庫恩（Thomas Kuhn）在對于科學發展的研究中，也提出了相似的概念，即 " 範式 "（Paradigm）。範式能夠助益常規科學的發展，但類似于相對論、量子力學等全新的科學概念的誕生，則需要有完全不同的範式，打破原有的解釋框架。
圖片來源：pixabay
機會總是留給有準備的人，也留給了能夠打破既有框架，進行開放式的想象和觀察的人。貝克蘭的塑料帝國，是時勢造英雄，也是具有膽識的靈活的思考的成果。
這種思考，往往是跨學科、跨領域的。而我們的創新，也不是對于 " 标準答案 " 的追求，不能僅僅局限于對于規模和投入的計算，也不宜限定領域和框架。當下，許多科學和技術領域都極度專業化，專業之間的交流就顯得尤其重要。技術的創新，也不是一個人、一個發明能夠促進的。未來的科技進步，需要不同社會群體、不同認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
[ 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
本文爲科普中國 - 星空計劃作品
出品｜中國科協科普部
監制｜中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
作者丨鄭李 科普創作者
審核丨李宗鵬 國家輕工業塑料産品質量中心 高級工程師
策劃｜丁崝
責編丨丁崝
相關推薦
5.國人 " 最佳血壓值 " 出爐！改變 1 個小習慣，死亡風險大大降
原創圖文轉載請後台回複 " 轉載 "
點亮 " 在看 "
一起長知識！
