这个故事开始于 19 世纪末的美国，轰轰烈烈的“镀金时代”。
里奥·亨德里克·贝克兰（Leo Hendrik Baekeland），1863 年出生于比利时。他出身平凡，父亲是个普通工匠，而母亲是个仆人。但他凭借着对知识的爱好，读上了大学并继续深造、最后成为了化学教授。1889 年，他移居美国，投入了工业制造行业。
1905 年，他第一次人工合成了一种叫“酚醛树脂”的产物，是世界上第一种完全由人工合成的塑料。他随后注册了这种塑料的专利，以自己的名字命名（Bakelite，中文翻译为“电木”或者“胶木”），并投入了大量生产，而他也在1940 年 5 月 20 日被《时代》周刊称为“塑料之父”。
那么，这个过程是怎么回事？我们又能从中学到什么呢？下面咱们就来聊聊。
一些古老的电话，外壳材料就是电木。图片来源：pixabay
新材料在召唤
塑料这种廉价的工业产品，突破了天然材料的限制，绝缘、稳定、耐腐蚀，从而成为了万用材料，而贝克兰自己也凭借着这个发明成为了工业大亨。
这个故事乍一看是一个知识转化为应用，并且获得巨大成功的故事。然而，塑料的诞生并不是一帆风顺的。而贝克兰能够合成出塑料，也有着相当多的机缘巧合。
那时候，参与化工材料行业的人，大致都抱着两个目的，一个是代替天然材料，另一个是开发绝缘材料。工业革命之后，中产阶级崛起，对于高档消费品的需求大大提高。一部分人想要用人工材料来取代天然材料，例如象牙、玛瑙、琥珀等等，使其可以量产。
举个例子，当时的消费市场，对台球的需求非常高，但如果使用象牙来造的话，一根象牙也就能制作 8 个台球，产量可想而知，于是开发新材料变得有利可图。
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在不断摸索中，人们发现，天然含纤维的材料，例如木头、棉花等，经过一些处理，加入硝酸和樟脑并加热，就能形成具有可塑性的材料，能倒模做成不同的样子，质感和象牙非常类似。这种材料被称为“赛璐珞”（celluloid）。
然而，这种材料有一个十分致命的缺点：易燃。而台球又不断地承受着击打，配上易燃的赛璐珞材料可谓是定时炸弹，也难怪当时的台球厅里偶尔会传来可疑的爆响了。毕竟，赛璐珞主要成分是硝化纤维，的确很不稳定。不信你在安全空旷周围没有易燃物的地方，用打火机点个乒乓球（主要成分是赛璐珞），就能稍微感受到这玩意烧起来有多快。
而另一种需求，则来自新兴的电力行业。
电力的崛起带来了对于合成材料的渴求，人们想要找到一个可以便宜、量产的合成材料，以满足电线线路的绝缘需求。类似于橡胶的东西是他们的“范本”，但即使热带殖民地的橡胶种植园开足马力，也赶不上电力扩张的脚步。但那时候，合成材料的“技能点”还根本点不了那么远，人们对于好材料的想象也十分有限。
更关键的问题在于，在当时，无论是找天然材料的代替物，还是找绝缘材料，其实都和真正的化学研究距离比较远。那么化学家那时候在干什么呢？
答案近在眼前，但是……
其实，当时的化学家距离“正确答案”已经很近了。早在 1872 年，德国化学家阿道夫·冯·拜尔（Adolf von Baeyer）就发现，苯酚和甲醛反应后，会有一些无色、树脂状、浑浊的残留物遗留。但这些残留物，被当时的化学家当作垃圾丢弃了。
这不能怪化学家“有眼无珠”，这是因为那时候的化学行业，很大一部分注意力都集中在染料上，甚至后来的制药行业，都是由染料的制造而衍生出来的。鼎鼎大名的“百浪多息”（Prontosil），世界上第一种人工合成的抗生素，前身就是一种红色染料，开发的公司名为法本（Farben），也是德语的“颜色”的意思。一心寻找纯净染料的化学家，对这种看起来没什么用的残留物，当然也就不太感冒了。
说回到贝克兰本人。他在投入制造业之前，的的确确是化学研究出身，即使当时化学作为一个学科发展还没有后来那么成体系，但也系统地训练了他对学科的敏感，特别是对实验的高度重视。
在他来美国之前，他在比利时的根特大学教授化学，而他研究的是照相化学，也就是如何使用各种手段优化成像技术。他的研究内容，就是研究各种化学反应的催化剂和条件，控制各种变量，以观察成品的不同。
这一方面让他拥有了化工制品行业的人所没有的、对各种条件和元素的敏感，另一方面，他也得以接触到当时一些前沿的、新的材料，并将实验室制品批量生产，比如他参与发明的一种叫 Volex 的相纸，最后被柯达公司买走专利。总结起来就是，贝克兰既懂研究，同时也很注重新发现的物质能拿来做什么。
凭借着对化学反应和合成材料制造的双重敏感，他敏锐地发现了苯酚和甲醛反应的“副产品”的潜力，并在不断试错中，最后合成了酚醛树脂塑料并申请了专利。
贝克兰的启示
如果我们只是看到贝克兰的成功，那就有点落入科学“励志爽文”的俗套了，下面咱们稍微深入一点分析一下。
贝克兰的成功，有几分时势造英雄的偶然，但也揭示了科技创新中的一个重要元素：突破性的创新，往往来自于对既有框架的打破。科学技术研究学者、荷兰社会学家维比·拜克尔（Wiebe E. Bijker）用“技术框架”（technological frame）一词解释了这个现象：人们在探索新的技术发明的时候，并不是没有方向的，往往是出自于一套既有的框架。
而这个框架，定义了“什么是目标”“什么是当下的问题”，以及如何解决问题的逻辑，然后在这个基础上发展相应的策略、采取相应的手段、应用相应的技术。这样的框架有助于集中资源，解决问题，但有时候也会导致我们错过重要的新发现。
回到塑料的发明过程，我们也能看到这样的框架。
首先，那时候人们还不知道什么是“塑料”，在发明的过程中，人们只是站在他们既有的框架上，从已经定义好的问题和解决方式中，探索一个方案。像当时材料行业的人们，因为已经有了赛璐珞，他们的重点是要使赛璐珞不那么易燃，靠通过更换溶液、调整反应和制模温度、掺入稳定剂等等来解决问题。而当时他们对于材料的想象，也只建立在天然材料之上，然后再加入制作成本、制作工艺等考虑，这个框架在当时已经成熟，但却有无法解决的瓶颈：只能改良，难以突破。
而另一边的化学家呢，他们的技术框架是截然不同的。合成染料及其相关制剂的目标，是寻找到并尽可能提取出一种纯净的化合物，而其他的产物只是垃圾，或者“副产品”罢了。在苯酚和甲醛的反应中，那种树脂状的“塑料”原型，很难进行提纯，因此被那时候大部分的化学家所忽略。
这种既有的框架，提供了清楚的目标和行为路径，能够帮助人们不断地优化现有的发明和产品。但突破性新发明的关键，就在于它的“新”，在于它的不可预知。著名历史社会学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）在对于科学发展的研究中，也提出了相似的概念，即“范式”（Paradigm）。范式能够助益常规科学的发展，但类似于相对论、量子力学等全新的科学概念的诞生，则需要有完全不同的范式，打破原有的解释框架。
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机会总是留给有准备的人，也留给了能够打破既有框架，进行开放式的想象和观察的人。贝克兰的塑料帝国，是时势造英雄，也是具有胆识的灵活的思考的成果。
这种思考，往往是跨学科、跨领域的。而我们的创新，也不是对于“标准答案”的追求，不能仅仅局限于对于规模和投入的计算，也不宜限定领域和框架。当下，许多科学和技术领域都极度专业化，专业之间的交流就显得尤其重要。技术的创新，也不是一个人、一个发明能够促进的。未来的科技进步，需要不同社会群体、不同认知框架的交锋和切磋，才能不断地打破既有框架的束缚。
参考文献
[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.
策划制作
本文为科普中国-星空计划作品
出品｜中国科协科普部
监制｜中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
作者丨郑李 科普创作者
审核丨李宗鹏 国家轻工业塑料产品质量中心 高级工程师
策划｜丁崝
责编丨丁崝
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