這個故事開始於 19 世紀末的美國，轟轟烈烈的「鍍金時代」。裡奧·亨德里克·貝克蘭（Leo Hendrik Baekeland），1863 年出生於比利時。他出身平凡，父親是個普通工匠，母親是個僕人。但他憑藉著對知識的愛好，讀上了大學並繼續深造、最後成為了化學教授。 1889 年，他移居美國，投入了工業製造業。

1905 年，他第一次人工合成了一種叫做「酚醛樹脂」的產物，是世界上第一個完全由人工合成的塑膠。

他隨後註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“膠木”），並投入了大量生產，而他也在1940 年5 月20 日被《時代》週刊稱為「塑膠之父」。

那麼，這個過程是怎麼回事？我們又能從中學到什麼呢？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

塑膠這種廉價的工業產品，突破了天然材料的限制，絕緣、穩定、耐腐蝕，因而成為了萬用材料，而貝克蘭自己也憑藉著這個發明成為了工業大亨。

這個故事乍看之下是一個知識轉化為應用，並且獲得巨大成功的故事。然而，塑膠的誕生並不是一帆風順的。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，參與化工材料產業的人，大致上都抱著兩個目的，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，中產階級崛起，對於高檔消費品的需求大為提高。一部分人想要用人工材料來取代天然材料，例如像牙、瑪瑙、琥珀等等，使其可以量產。

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，一根象牙也就能製作8 個台球，產量可想而知，於是開發新材料變得有利可圖。

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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，加入硝酸和樟腦並加熱，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。這種材料被稱為“賽璐珞”（celluloid）。

然而，這種材料有一個十分致命的缺點：易燃。

而撞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，也難怪當時的撞球廳裡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，則來自新興的電力產業。

電力的崛起帶來了對於合成材料的渴求，人們想要找到一個可以便宜、量產的合成材料，以滿足電線線路的絕緣需求。

類似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」根本點不了那麼遠，人們對於好材料的想像也十分有限。

更關鍵的問題在於，在當時，無論是找天然材料的代替物，或是找絕緣材料，其實都跟真正的化學研究距離比較遠。那麼化學家那時候在幹嘛呢？

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，很大一部分注意力都集中在染料上，甚至後來的製藥行業，都是由染料的製造而衍生出來的。

鼎鼎大名的「百浪多息」（Prontosil），世界上第一種人工合成的抗生素，前身就是一种红色染料，開發的公司名為法本（Farben），也是德語的「顏色」的意思。

一心尋找純淨染料的化學家，對這種看起來沒什麼用的殘留物，當然也就不太感冒了。

說回到貝克蘭本人。在投入製造業之前，的的確確是化學研究出身，即使當時化學作為一個學科發展還沒有後來那麼成體系，但也系統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化成像技術。他的研究內容，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製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，並將實驗室製品批量生產，例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麼。

憑藉著對化學反應和合成材料製造的雙重敏感，他敏銳地發現了苯酚和甲醛反應的「副產品」的潛力，並在不斷試錯中，最後合成了酚醛樹脂塑膠併申請了專利。

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，但也揭示了科技創新中的一個重要元素：突破性的創新，往往來自於對既有框架的打破。

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，並不是沒有方向的，往往是出自於一套既有的框架。

而這個框架，定義了“什麼是目標”“什麼是當下的問題”，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、採取相應的手段、應用相應的技術。這樣的框架有助於集中資源，解決問題，但有時也會導致我們錯過重要的新發現。

回到塑膠的發明過程，我們也能看到這樣的框架。

首先，那時候人們還不知道什麼是“塑膠”，在發明的過程中，人們只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，因為已經有了賽璐珞，他們的重點是要使賽璐珞不那麼易燃，靠著透過更換溶液、調整反應和製模溫度、摻入穩定劑等等來解決問題。

而當時他們對於材料的想像，也只建立在天然材料之上，然後再加入製作成本、製作工藝等考慮，這個框架在當時已經成熟，但卻有無法解決的瓶頸：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。

合成染料及其相關製劑的目標，是尋找到並儘可能提取出一種純淨的化合物，而其他的產物只是垃圾，或者「副產品」罷了。在苯酚和甲醛的反應中，那種樹脂狀的「塑膠」原型，很難進行提純，因此被那時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，能夠幫助人們不斷優化現有的發明和產品。

但突破性新發明的關鍵，就在於它的“新”，在於它的不可預測。著名歷史社會學家托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn）在科學發展的研究中，也提出了相似的概念，即「範式」（Paradigm）。

範式能夠助長常規科學的發展，但類似於相對論、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，打破原有的詮釋架構。

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機會總是留給有準備的人，也留給了能夠打破既有框架，進行開放式的想像和觀察的人。貝克蘭的塑膠帝國，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，往往是跨領域、跨領域的。而我們的創新，也不是對於「標準答案」的追求，不能只限於規模和投入的計算，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、不同認知框架的對抗與切磋，才能不斷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.

企劃製作

本文為科普中國-星空計畫作品

出品｜中國科協科普部

監製｜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 國家輕工業塑膠產品品質中心 資深工程師

策劃｜丁崝