這個故事開始于 19 世紀末的美國，轟轟烈烈的“鍍金時代”。

里奧·亨德里克·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。但他憑借著對知識的愛好，讀上了大學并繼續(xù)深造、最后成為了化學教授。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《時代》周刊稱為“塑料之父”。

那么，這個過程是怎么回事？我們又能從中學到什么呢？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發(fā)明成為了工業(yè)大亨。

這個故事乍一看是一個知識轉(zhuǎn)化為應用，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，也有著相當多的機緣巧合。

那時候，參與化工材料行業(yè)的人，大致都抱著兩個目的，一個是代替天然材料，另一個是開發(fā)絕緣材料。工業(yè)革命之后，中產(chǎn)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，使其可以量產(chǎn)。

舉個例子，當時的消費市場，對臺球的需求非常高，但如果使用象牙來造的話，一根象牙也就能制作 8 個臺球，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，這種材料有一個十分致命的缺點：易燃。而臺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炸彈，也難怪當時的臺球廳里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(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，也趕不上電力擴張的腳步。但那時候，合成材料的“技能點”還根本點不了那么遠，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。那么化學家那時候在干什么呢？

答案近在眼前，但是……

其實，當時的化學家距離“正確答案”已經(jīng)很近了。早在 1872 年，德國化學家阿道夫·馮·拜爾（Adolf von Baeyer）就發(fā)現(xiàn)，苯酚和甲醛反應后，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丟棄了。

這不能怪化學家“有眼無珠”，這是因為那時候的化學行業(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家，對這種看起來沒什么用的殘留物，當然也就不太感冒了。

說回到貝克蘭本人。他在投入制造業(yè)之前，的的確確是化學研究出身，即使當時化學作為一個學科發(fā)展還沒有后來那么成體系，但也系統(tǒng)地訓練了他對學科的敏感，特別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(yōu)化成像技術。他的研究內(nèi)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(yè)的人所沒有的、對各種條件和元素的敏感，另一方面，他也得以接觸到當時一些前沿的、新的材料，并將實驗室制品批量生產(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(fā)現(xiàn)的物質(zhì)能拿來做什么。

憑借著對化學反應和合成材料制造的雙重敏感，他敏銳地發(fā)現(xiàn)了苯酚和甲醛反應的“副產(chǎn)品”的潛力，并在不斷試錯中，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(chuàng)新中的一個重要元素：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(xiàn)象：人們在探索新的技術發(fā)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“什么是目標”“什么是當下的問題”，以及如何解決問題的邏輯，然后在這個基礎上發(fā)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，但有時候也會導致我們錯過重要的新發(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，探索一個方案。像當時材料行業(yè)的人們，因為已經(jīng)有了賽璐珞，他們的重點是要使賽璐珞不那么易燃，靠通過更換溶液、調(diào)整反應和制模溫度、摻入穩(wěn)定劑等等來解決問題。而當時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，這個框架在當時已經(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標，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，提供了清楚的目標和行為路徑，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)明的關鍵，就在于它的“新”，在于它的不可預知。著名歷史社會學家托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn）在對于科學發(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)科學的發(fā)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范式，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(chuàng)新，也不是對于“標準答案”的追求，不能僅僅局限于對于規(guī)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(yè)化，專業(yè)之間的交流就顯得尤其重要。技術的創(chuàng)新，也不是一個人、一個發(fā)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

本文為科普中國-星空計劃作品

出品｜中國科協(xié)科普部

監(jiān)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(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 高級工程師

策劃｜丁崝

責編丨丁崝

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