万物都由原子构成

从这个角度来看，很快我们就会发现所有材料其实拥有一组共同的结构。最简单的例子就是所有材料都由原子构成。你很快就会发现，金属和塑料有许多共同点，而塑料又和皮肤及巧克力等有许多雷同之处。为了呈现所有材料的共同点，我们需要绘制一张材料的俄罗斯套娃结构图。这不是以单一尺度描绘各种地形的普通地图，而是以多重尺度表达一种地形：材料的内在世界。请见下图：

让我们从最根本的组成单元开始，那就是原子。原子的大小是我们的一百亿分之一，因此肉眼显然无法看见原子结构。地球上自然存在的原子有94种，但其中8种构成了98.8％的材料与物质，分别是铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙、铝，其他都算是微量元素，连碳也不例外。我们已经能把一些常见元素转换成稀有元素，但得靠核反应堆才能进行，这种方法不仅价格高于采矿，还会产生核废料。这就是为何黄金到了21世纪依然值钱。从以前到现在，人类开采的黄金加起来也只能放满一栋豪华别墅。

某些原子非常有用，但数量稀少，例如钕和白金，但量少不一定是问题，因为材料不单单取决于它的组成原子。就像之前提到的，坚硬透明的钻石和乌黑柔软的石墨，两者的差别不在于原子，它们都是由同一种元素构成的，也就是碳。两者性质的巨大差异来自于原子的排列方式，在于是立方体还是多层堆栈的六角平面。这些排列方式不是随意的，我们无法随心所欲地排列原子。

排列的规则取决于量子力学，而量子力学把原子视为波函数，而非粒子，因此用结构来称呼原子本身以及原子形成的键结更为恰当。有些量子结构会产生可移动的电子，使得该材料可以导电。石墨的结构就是如此，所以能导电。钻石里的原子跟石墨相同，但结构方式不同，使得电子在晶格内无法自由移动，因此钻石不会导电。钻石呈现透明也是同样的道理。

这个看似炼金术的现象告诉我们，就算原子的种类极少，也可以创造出性质极为不同的材料。人体就是很好的例子。大多数的器官和组织都是由碳、氢、氧、氮所组成，而这四个成分的排列组合只要稍微变化，再加上钙和钾之类的矿物质点缀，就能形成头发、骨骼和肌肤等极为不同的生物材料。这就是材料科学的金科玉律：单是知道材料的基本化学组成，并无法了解材料的特性。这个法则不仅对技术发展非常重要，更具有深远的哲学意义，毕竟现代社会就是靠它才得以存在的。

因此，组合原子才能创造材料。由一百个左右的原子堆叠而成的骨架就叫纳米结构。1纳米是十亿分之一米，属于这个尺度的物体叫大分子，也就是由数十到数百个原子组成的较大结构，例如我们体内的蛋白质和脂肪。塑料的主要成分也属于这一类，像是制造赛璐珞的硝化纤维素和必须从木浆中去除才能造纸的木质素。纳米尺度的多孔结构就是非常细致的发泡材料，例如气凝胶。