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1、趣味化学学(化工工类)我们知道，物质是由原子分子组成的。如果能够捕捉到这些原子分子并能让它们重新排列，及重新组合，那么，就可以设计制造出具有全新结构的新物质，甚至是新的生命。例如，把组成水的氢和氧分开，然后再由两个氢原子组合成氢分子，那么它就是可以燃烧的新能源。 小的原子，只有足球体积的几亿分之一，未来，科学家可以在较大范围内成熟的应用扫描探针显微技术，操纵单个原子和单个分子，然后再按科学的方式把它们重新组合。这种手段应用于材料加工，会出现什么样的结果呢？ 一个机器人，应用了多种材料，有金属的、非金属的、有机的、无机的。不管它们是什么材料，当分子及原子结构发生理想变化，或者是说按科学方式重新组
2、成，那么，它发挥同样的作用，而体积会大大减少。随着原子尺度加工技术不断完善和提高，会出现多种分子器件和新型功能材料，未来把它们用来制造机器人，其中最小型的，机器人就可以爬进人的血管，进行各种各样的手术。人的心脏某一区域，出现了问题，小小的机器人，到这里进行观察，或者按医务人员的指令，去修复它。 同样改变了原子、分子组合结构的材料，用来制造卫星，完成同样的任务，卫星的体积会小很多，假如需要，将来人类可以一次发射成千上万颗用于各方面的卫星。而到目前为止，全球在以往的几十年间，一共才把几千颗卫星送上天。 通过原子分子操纵加工的材料，不仅体积会减小，而且具有更高的强度，更好的耐热和耐高温性能，在空间领
3、域，把它们用来做太空船的外壳，引擎或其它部件，太空船会变得更轻、更快、能够承受更为恶劣的环境，新的太空船会带着人类走得更远。 改变了原子结构的新型的分子材料，应用于信息领域，象一块手表大小的空间，就等于现代成千上万张光盘的容量，这样，一座大型图书馆的全部书籍的文字，就能容进其中，你拥有了这样一个记忆体，就如同拥有了一座图书馆。 在生物领域，操纵分子原子，会出现更令人兴奋的结果。地球上原有的生命体，包括动物、植物及微生物，它们之所以存在形式不同，是由其内部的分子原子的结构及性质有别所决定的。 无数的水分子再加上一些碳、氮和别的众多元素，按科学规范结合在一起，就出现了我们所看到的生命。如果人类改变
4、生命体内的一些分子原子组合，甚至设计出新的结构会怎么样？科学家做出乐观的预测，认为这样有可能创造出具有生命力的新物质，或者是说会出现新的生命形式。当然，生命科学，是一个庞大的系统工程，从原子分子操纵入手进行研究，只是其中的一方面，创造生命是十分艰难的，大自然是经历了亿万年的造化，人类在二十一世纪，随着科技手段不断有新的突破，科学家或许会在这方面有较大的作为。 不过，以后对生物分子进行捕捉及雕刻加工是较为普遍的，这样就能够修复人体内某些有缺陷和导致疾病的遗传基因，从而尽可能的抑制及克服困扰人类的种种顽症。同样还可以用具有活力的细胞，代替老化的细胞，从而延长人的寿命。 21世纪，人类进入微观世界，
5、在原子分子尺度上，对物质材料及生物体进行研究，从而改变它们的结构形式，会对社会及我们的生活，产生较大影响，并势必要引起更加广泛的重视。 钢在工业建设中起着骨干作用，一切工业交通运输和国防等都离不开钢铁。不过钢本身不是没有弱点的。身体虚弱的人常用维生素补养，使身体由弱变强，钢也可以用其他金属来“营养”自己，弥补自身的缺陷，使它更加适合工业建设和国防的需要。古代的工匠早已会制造坚硬而锋利的刀剑了。究竟为什么那么坚硬，最初没有人知道，以后才发现原来是炼钢的矿石里含有钨。在第一次世界大战时，英国人的坦克车装甲钢板非常厚，但是经常很轻松地被德军的炮弹击毁。英国人很恼火，经过反复化验才知道德军炮弹壳里含有
6、少量的金属钨。于是英国人研究在钢里加入少量的铬、锰、镍和钼后，做出的合金钢板仅有原来钢板厚度的13，可是德军的炮弹再也打不透了。钨钢硬度高，强度大，至今在合金钢中有着特别重要的地位。提起有机玻璃大家都听说过，乍看起来它与普通玻璃似乎没什么不同，实际上它们完全不一样。普通玻璃的“父母”是硅酸盐，有机玻璃的“父母”却是丙酮、甲醇和氰化氢。有机玻璃的学名叫做聚甲基丙烯酸甲脂。这个名字念起来非常别扭，由于它是人工合成的一种高分子聚合物，所以人们笼统地把它叫做有机玻璃。有机玻璃有一个令人惊奇的性能，一条弯曲的有机玻璃棒，只要弯度不超过48 度，光线就能沿着它，像水通过水管一样投射过来。光线能走弯路，多么
7、有趣！ 利用这个绝技，它就成了制造外科传光玻璃仪器的珍品。医生在手术室动手术时，就不必担心看不清楚了。我们的生活，好比一幅宏大美丽的画卷，五彩缤纷、瑰丽多姿。我们就生活在这幅美丽的画卷中，心情舒畅，同时又不无自豪，因为，这个世界是我们人类自己的杰作。在生活中，我们常常看见各种布置精巧的橱窗，这不，前面便又是一个。不过，这可不是一般的橱窗。你瞧，一个透明的台柜，上面铺着蓝色的天鹅绒，几件形象奇特的、透明的艺术品，巧妙地陈列在一盏台灯的周围。台灯是一体七色的，七种柔和的光，从灯罩里挥洒而出，映着这些透明的珍奇，更是显得晶莹摧灿，光彩夺目。台柜旁边是一架精巧的透明的茶几，上面陈列着几套各式各样的透明
8、的杯盏。一只形状奇特的高脚杯，盛放着一杯鸡尾酒似的彩色液体放在一旁，那界限分明的色彩，盈盈欲滴，好像要飞泻而出似的。毫无疑问，这是一个玻璃制品的橱窗了。不过，它将各种奇异形状的玻璃器具与各种色彩如此巧妙地布置在一起，不由得令我们对这个透明的世界刮目相看。在我们日常生活中，玻璃可以说是司空见惯的。我们一睁眼，首先映入眼帘的便是从窗户上倾泻进来的明亮的光线；我们一想喝点什么，无意中拿的便是一只透明的杯子；书桌上有几件小巧的玻璃工艺品，还有透出柔和的光线的台灯；当我们到实验室里后，各式各样的玻璃仪器便开始垂首候命。还有，我们鼻子上的玻璃眼镜，科学家们用的显微镜，天文学家们将遥远的星球拉到我们的视野里
9、的望远镜，它们关键的部分镜片便也是由玻璃制成。玻璃，以它良好的透明的性能，一定的机械强度，方便的加工工艺，美观的各式造型，以及低廉的工业成本，越来越深入到我们的生活画卷之中，为我们美好的生活增添了神奇的透明的美景。其实，在古代的埃及就已经有了玻璃制品，玻璃珠一直是埃及当时的高贵装饰品。考古学家在埃及的古墓中发掘出的一颗最早的玻璃珠它的年龄有五千五百岁，它就是埃及玻璃的见证。在我国的考古文献中，也曾介绍西周（距今三千多年）的白色穿孔玻璃珠，以及战国时期的彩色料珠等。它们是在河南、湖南、山西等地古墓发掘中得到的珍品。考古学家找到了古代的玻璃制品，但玻璃是怎样发明的，谁也没有找到答案。可是我们谁都会
10、从心里敬佩那些无名的匠师，因为玻璃的发明，为人类文明的发展做出了极其伟大的贡献。公元一世纪初，古罗马把原料放在窑里熔炼，温度大大提高了，熔制的玻璃液已从不透明变成透明的。他们用吹管把玻璃液吹制成各种形状的玻璃制品，如美丽精巧的药瓶，风格别致的酒杯和宝石般的装饰品。玻璃技术的发展，记录了罗马的文明。到了中世纪时期，意大利的威尼斯成了玻璃业的中心。威尼斯玻璃制品样式新颖、别具一格，因而畅销全欧乃至世界各地。威尼斯玻璃业有八百多年的历史。十五世纪到十七世纪为鼎盛时期。当时，威尼斯玻璃艺术品跃为世界之冠。但威尼斯玻璃工匠的秘密，很快传到法国、德国、英国，到十七世纪，玻璃厂已经遍及世界许多地区。由于威尼
11、斯追求玻璃制品的华丽外表，造成其制品过于笨重，渐渐失去了原来的简易、轻便、朴素、雅致的风格，到十八世纪末，威尼斯玻璃业走向了反面，从顶峰上跌落了下来，玻璃制品的皇冠被捷克夺去。此外，俄国的艺术玻璃制品从十七世纪以来，也闻名于世。但是，无论是威尼斯还是捷克，当时都没有采用机器生产，各种各样的玻璃制品，都是在能工巧匠的双手中诞生的。而简单的手工劳动已经无法满足人们的需要。随着工业革命的兴起和发展，到十九世纪时出现了把玻璃拉成空心圆筒的机器。筒子拉成后，节成小段，再剪成薄板。后来，比利时的发明家弗克设计出一种拉板机，经几十年的改进，发展成引上机，平板玻璃才开始大量生产。目前，玻璃工业已逐步实现了机械
12、化、自动化生产线，如平板玻璃、玻璃容器、灯壳、电子管、显象管等均已采用了自动化。现代化玻璃生产，单凭眼力是无法控制的。电子计算机的推广，为玻璃工业自动化开辟了广阔的前程。现在，玻璃工人坐在自动控制室即可对生产过程了如指掌，而不必再像以前那样，奔走在炉旁车间，忍受高温的袭击。今天世界上的玻璃制品种类繁多，从实验室的试管、烧杯、烧瓶，到化工厂的管道、塔柱设备；从体温计、注射器，到X射线管、荧光屏、红外灯、紫外灯；从揭开星空之谜的天文望远镜，到识破微生物行踪的显微镜；从耐热玻璃到防弹、防辐射玻璃；从玻璃纤维到光导纤维；还有许多许多特种玻璃、电光玻璃、声光玻璃、变色玻璃、微孔玻璃等等，可以说，离开了玻
13、璃，现代科学技术的发展是不能设想的。步入工业化时代，人们十分重视居住地和办公楼的隔音、绝热、避震、耐光及防盗。现代化高楼大厦的正面均安装着巨大的反光玻璃。这种玻璃虽然很薄，但由于材料纯净且具有经过精确计算的内预应力，故能经受住特大风压、厚重积雪及其他外力，其表面上的防风雨涂层则能防止热辐射。多层充气玻璃可降低热传导，因此多层充气玻璃可将机场噪声降低到偏僻住所夜间的安静程度。由不同厚度层与层之间充以坚硬塑料薄膜的特种玻璃及其他安全玻璃，既经得起重锤猛敲，亦不怕手枪射击。涂有透明软稠物质的3层玻璃具有防火性质，火焰喷在其上，软稠物质便泛起泡沫，使这种玻璃成为不易燃烧的材料。通过实验证明，在硼硅玻璃
14、大容器里发酵葡萄酒远优于使用传统木桶酿制的葡萄酒，因为玻璃容器内发酵后的葡萄酒不再氧化，故味道更为醇香可口。内科医生通过光导纤维可观察病人胃部。外科大夫则多采用玻璃陶瓷制品取代因事故或疾病而损坏的骨头、关节、牙齿或中耳听骨等。这种材料不但不影响活的人体组织，而且还能与这些组织长在一起。科学家们从基本粒子运动轨迹的形状及彼此碰撞后和相互作用过程认识到：有些粒子虽然不带电且极微小，但富有能量，可无阻挡地击穿厚层材料，然而它们却无法穿越厚实的富铅玻璃。用富铅玻璃可以制作“原子放大镜”。还可以应用于其他科研领域，如防辐射玻璃，用于观察核反应堆的“热槽”或在原子炉内布接电线。上述玻璃是无源的，即只能防止
15、原子微粒击穿及阻遏放射性辐射。60年代以来，科学家们开始对自身可以产生连锁反应的激活玻璃进行试验。这种以激光玻璃闻名的玻璃含有的微量钕、磷酸氟或其他物质，可产生能量极大的光，在几千亿分之一秒内可以将一个结冰的重氢小球的密度增大一万倍，同时使其温度上升到1亿摄氏度，研究人员进行这种实验，旨在寻求新的能源。随着科技的发展，各种新型玻璃将不断出现，它将渗透到一切领域中去，帮助我们攻克前进道路上的一个个障碍，攀登科学的峰巅。玻璃，是一种透明的无定形体，质硬但“碰”不得，一碰即碎。不过，玻璃家族是一个庞大的集体，玻璃纤维就是一种与玻璃有着紧密关系的新材料。有这样一家纺织厂，它的原料是石灰石、纯碱与砂子，
16、织出的布，像绸缎一样柔软光亮，不怕虫咬，也不怕酸碱的腐蚀，即使放在火中也烧不起来，这就是用制玻璃的原料纺出来的玻璃纤维，织出来的正是玻璃布。用一根手指粗细的玻璃纤维编织的绳子，可以将一辆满载的解放牌卡车吊起来，玻璃纤维的抗拉强度比普通钢丝还要大一倍。玻璃布耐酸碱腐蚀，在化工厂里特别受欢迎。用玻璃布做的吸尘袋比棉布耐用二十多倍。原先过滤腐蚀液的过滤布是用毛料做的，现今都已改用玻璃布，用玻璃布还可制成防火衣。穿上这种衣服，可以在几百度的高温下工作，它比石棉衣服更轻巧。由于玻璃布耐热、轻巧，连宇宙航行员的服装也是用涂有聚四氟乙烯的玻璃布制成的。大家都知道，水泥块耐压，钢材耐拉。用钢材作筋骨，水泥砂石
17、作肌肉，让它们凝成一体，互相取长补短，变得坚强无比这就是钢筋混凝土。同样，用玻璃纤维作筋骨，用合成树脂作肌肉，让它们凝成一体，制成的材料，其抗强度可与钢材相媲美因此得名叫玻璃钢。玻璃钢是近三十多年来发展迅速的一种复合材料。玻璃纤维产量的 70都是用来制玻璃钢。玻璃钢坚韧，比钢材轻得多。喷气式飞机上用它作油箱和管道，可减轻飞机重量。登上月球的宇航员，他们身上背的微型氧气瓶，也是用玻璃钢制成的，玻璃钢加工容易，不锈不烂，不需油漆。我国已广泛采用玻璃钢制造各种小型汽艇、救生艇及游艇，节约了不少钢材。玻璃钢无磁性，不阻挡电磁波通过。用它来做导弹的雷达罩，既不阻挡雷达的“视线”，又起到防护作用。陶瓷是我
18、国古代劳动人民的重大发明之一，欧洲人也一向视中国陶瓷为无价之宝，所以，欧洲人把瓷器叫做“China”，久而久之，“China”成了中国的英文名称。陶瓷是陶器和瓷器的总称。陶瓷的产生和发展是中国灿烂的古代文化的重要组成部分。早在公元前5000年的新石器时代，我们的祖先就开始用普通粘土在很高的温度下烧制陶器，这是一种粗糙简陋的器皿，以后经过不断改进，到新石器时代的晚期，已经能造出比较光滑，质地较坚固而且具有不同颜色的陶器了，但它的缺点是容易渗水。到了奴隶社会的商代，人们已经发明了陶器上釉的技术，使陶器既美观，而且不渗漏，不易被污染。同时，人们已经开始选择比较好的粘土来烧制瓷器了。至此，陶瓷日用品和
19、工艺品的水平不断完善。陶瓷产品最负盛名的当属宜兴和景德镇了。江苏宜兴，以生产陶器闻名于世。帮助越王勾践灭吴的大夫范蠡，在灭吴以后，带着西施隐居宜兴烧起陶器来，开创了宜兴的陶业，因此，历代制陶艺人都奉范蠡为祖师爷。宜兴的茶壶，曾为许多文人墨客所推崇，当年苏东坡择居宜兴蜀山，特别喜欢用提梁壶饮茶。重感情的陶工为了纪念他，就将这种提梁壶称为“东坡壶”。宜兴被称为“陶都”是当之无愧的。江西的昌南镇，自汉朝开始烧制白瓷，到宋朝景德年间已盛名中外，从此昌南镇改名为景德镇，作为“瓷都”盛名绵延至今。普通陶瓷以粘土、石英、长石为重要原料。故又叫三组分陶瓷。粘土是一种细颗粒的含水铝硅酸盐，当与水混合时产生塑性。
20、尽管各地的粘土，其化学、物理性质各不相同，但共同的特点是具有结晶状的电中心层状结构，从而使其有柔软性、润滑性、易于劈裂等一系列物理性能。陶瓷坯体中，粘土一般要占到 45 60，其主要作用是为成型提供细颗粒物质和良好的可塑性，并在烧成的过程中使坯体具有一定的强度与耐火性能。制造陶瓷的第二种重要材料是石英。它的分子式是SiO2，大多以结晶态存在于石英矿中。石英非常硬，不溶于水，高温溶化时为无色透明液体。石英是酸性氧化物，是地球上数量最大的一类矿物。以它为基础的硅酸盐材料是无机非金属材料中最重要的部分。石英在陶瓷中的作用主要是提供坯体耐熔的骨架，使之不在烧成时变形，并且提高陶瓷的机械强度及半透明度。
21、瓷中是作为助熔剂的。在未烧成前，可降低可塑性，缩短干燥时间，减少坯体收缩，在烧成时，促进形成玻璃相，降低制品的烧成温度。普通陶瓷的生产工艺大致相同，主要工序是：泥料制备、成型、干燥、上釉和烧成。一、泥料制备由于原料来源不一，制品品种繁多，成型方法各异，所以泥料制备十分复杂。一般制备过程如下：二、成型成型又叫制坯。它是将泥料拌适量的水，灌注在石膏或金属模具中使之成为制品的生坯。三、干燥为了防止在烧成时裂开，生坯要进行干燥，通常在室式或隧道式干燥室内用热空气进行，也可用电热、远红外等进行快速干燥。含水量较大的坯体，在水份蒸发时，会发生较大的收缩，为了避免坯体翘曲或开裂，应小心控制干燥速度。四、上釉
22、釉涂在陶器或瓷器表面，起着美观、光滑、不渗水等作用。釉是由长石、石英、硼砂、氧化锌调配而成的，其中还掺有少量的金属氧化物如氧化铁、氧化铅、氧化铜等作显色剂。五、烧成陶瓷制作的最后一道工序是烧成，坯体在高温过程中发生一系列物理、化学反应，形成一定的物相组成与显微结构，从而使陶瓷具有所需要的机械、电、热等性能。烧制时发生的物理和化学变化主要为脱水、分角和氧化。用化学方程式表示：脱水：分解：烧成：另外，还发生了重量、体积、颜色、强度、硬度和形状等物理变化。经过高温烧制的坯体还要放在窑里让它渐渐冷却，到80时开始出窑，取出来的就是美观、坚固的陶瓷品了。陶瓷是最古老的硅酸盐材料。精致的中国陶瓷制品，至今
23、仍然吸引着世界各地的客商。随着科学技术的发展，具有特殊优异性能的现代陶瓷材料也飞速发展起来，并且已被非常广泛的应用，被人们誉为永不凋谢的材料之花。陶瓷经过特殊的“极化”处理后，它在机械力、光能的作用下，能把它们转变成电能，在电场作用下，又能把电能转变为机械能。这种特殊的功能叫做“压电效应”，具有这种压电效应的陶瓷叫压电陶瓷。核试验员带上用透明压电陶瓷做成的特殊目镜，带来了很大的方便。原子弹爆炸，当核闪光强度达到危险程度时，由于光的作用护目镜的控制装置马上就把它转变成瞬时高电压，防护镜自动地迅速变暗，在千分之一秒钟里，能把光强度减弱到只有万分之一，险情过后，它还能自动复原，不影响驾驶员的视力。这
24、种压电陶瓷护目镜结构简单，重不过几十克，只有火柴盒那么大，安装在防核护目头盔上携带十分方便。新型陶瓷的种类有很多，如具有气敏、热、电、磁、声、光等功能互相转换特性的各种“功能陶瓷”，用于人或动物肌体，具有特殊生理功能的“生物陶瓷”等等。下面再介绍一种十分有趣的陶瓷“啤酒陶瓷”。说起“啤酒陶瓷”的出世，还有一个非常有趣的故事。美国化学家哈纳克劳斯在研究一种用于导航容器的材料配方时，无意中错把身旁的一杯啤酒当作蒸馏水倒入一个盛有石膏粉、粘土以及几种其他化学药品的烧杯中，然而，正是由于这个“无意之中”的举动导致了啤酒陶瓷的问世。这一杯啤酒一倒入烧杯中，就出现了意想不到的奇特现象，烧杯中的那些混合物立
25、即产生了很多泡沫，体积突然膨胀了约两倍，不到30秒就成了硬坯。这次偶然制成的啤酒陶瓷居然是一种具有很多优良特性的泡沫陶瓷，这是谁也没有料到的。这种后来被人称作“啤酒石”的陶瓷具有釉光、重量轻、无毒、防火性能好等特点。由于啤酒石形成时固化速度快，并有那么多优良特性，它将在增强运载工具的绝热性能、安全储存核废物以及在包装业、汽车制造业、农业等方面具有很高的应用价值和商业价值。一些专家认为，啤酒石最重要的用途之一是储存核废料。大家知道，核废物如储存不当，会对环境造成非常有害的核污染。当前处理核废物较大的问题是容器，传统的方法是用防锈、不漏气的钢鼓储存，容器的内壁常用一种塑料作为防护套。但是，一旦粘结
26、剂失效，就会发生泄漏，由于啤酒陶瓷具有自行上釉的特性，所以可将其喷在新钢鼓的内表面，或旧钢鼓的外表面，形成啤酒陶瓷釉，成为一个不破裂、不泄漏的防护套，这样就可安全地储存核废物了。本世纪二三十年代以来，由于科学的高速发展，对传统陶瓷提出了新的挑战。如电力的普及与大规模的应用，需要使用大量强度很高、绝缘性能很好的绝缘子；电子通信技术的发展迫切需要在高频下绝缘性能良好的陶瓷材料；特别是在第二次世界大战期间，为了解决用于制作高质量电容器的天然云母的匮乏，希望能够用介电常数高的陶瓷来代替天然云母。现实的需要推动了对陶瓷材料进行广泛而深入的研究。人们发现，虽然陶瓷中的玻璃相，使陶变得坚硬、致密，但是，也正
27、是陶瓷中的玻璃相，妨碍了陶瓷强度的进一步提高。同时，玻璃相也是陶瓷绝缘性能，特别是高频绝缘性能不好的根源。于是，在传统陶瓷的基础上，一些强度高、性能好的材料不断涌现，它们的玻璃相含量都比传统陶瓷低。目前，由于陶瓷制备工艺的不断进步，特别是对陶瓷烧结过程、显微结构进行研究的结果表明，制备出玻璃相含量非常低，甚至几乎不含玻璃相的，由许多微小晶粒结合而成的结晶陶瓷是可能的。这种材料的各种性能有可能与相应单晶体的性能相近。现在，许多高性能陶瓷，几乎都是不含有玻璃相的结晶态陶瓷。为了有别于传统陶瓷，人们称之为先进陶瓷或高技术陶瓷；有时，也称之为精细陶瓷，取其显微结构、制备技术都非常精细之意；也有人称其为
28、工程陶瓷，取其主要应用在工程技术方面之意。从传统陶瓷到先进陶瓷，是陶瓷发展史的第二次重大飞跃。这一过程始于本世纪四五十年代，并且还在不断的发展。当然，传统陶瓷和先进陶瓷之间并无绝对的界线，然而二者在原材料、制备工艺、显微结构等多方面确有相当的差别。但无论从材料本身的性能，或者是材料所采用的制备技术来看，先进陶瓷已经成为陶瓷科学和材料科学与工程方面，非常活跃、极富挑战的前沿研究领域。先进陶瓷，无论从材料的性能，还是从材料的制备工艺技术来看，都已经和人们对陶瓷的印象有很大的不同。在许多人的印象中，陶瓷是一种坚硬但易碎的物体，缺乏韧性，缺乏塑性。说到陶瓷的生产，便马上想到了“泥巴”和满是粉尘的车间。
29、而许多先进陶瓷则是既坚且韧，一改陶瓷易碎的旧形象。例如，60年代后期发展起来的增韧氧化锆瓷就非常坚韧，不仅摔在地上不会碎裂，有人还把增韧氧化锆球放在铁砧上用铁锤用力敲打，竟然难以敲碎。日本的企业家和陶瓷科学家为了改变人们对先进陶瓷的传统印象，特别把这种高技术陶瓷改制成剪刀和水果刀作为礼品，赠送给公司、企业的客人，甚至作为商品在市场上以低于成本价格销售，称之为永不卷刃、永不生锈、永不磨损的刀具，一改人们的印象，赢得了民众和社会舆论对发展先进陶瓷的支持，取得了戏剧性的宣传效果。而这种陶瓷剪刀和水果刀全部在市场上站住了脚跟，并且逐步变得有利可图了。有的先进陶瓷有很好的弹性，可以制作成陶瓷弹簧。近年来
30、还发现一些陶瓷具有超塑性，断裂前的应变可达到 300左右，这更是传统陶瓷所难以想象的。至于先进陶瓷的性能则更是丰富多彩。60年代以来，先进陶瓷在材料和制备技术两方面的研究都取得了很大的进展和成就。值得一提的是，在陶瓷发展进程中正面临着第三次飞跃：从先进陶瓷发展到纳米陶瓷。科学家们预期在本世纪最后10年和下世纪初，陶瓷科学将在这一方面取得重大突破。1969年7月20日，东方夏令时间晚上10时56分，全世界数以万计的科学家，数以亿计的公众凝视着电视屏幕，关注着那远在 38万公里以外、乘坐“阿波罗”11号登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，谛听着这位勇士从月宫里传回的富于哲理
31、的声音：“对一个人来说，这是一小步；但对人类来说，这是跨了一大步”。宇航员的形象和声音是怎么从月球上返回来的呢？细心的观众肯定已经发现，宇航员登月后，在月球上放置了一个半球形的天线，月、地之间的信息就是通过它传输过来的。不过，有人可能纳闷：天线可是一个直径数米的庞然大物，怎么能够装在小小的登月舱送上太空呢？原来，奥秘在于：半球形天线是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。什么是记忆合金呢？许多重大的发现都是从偶然事件开始的，记忆合金也是这样。1963年，美国海军一个研究所奉命研制一种新式装备。在一次试验中他们需要一些镍- 钛合金丝，然而当他们将合金丝领回来时，却发现这些镍钛合金丝是弯弯曲曲的，使
32、用起来不方便。于是他们就将这些细丝一根根地拉直，并用在试验中。在试验过程中，奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得直直的镍钛合金丝，突然又全部恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且丝毫不差，和原来一模一样。他们反复作了多次试验，结果都是这样被拉直或做成其他形状的镍钛合金丝，只要遇到这个温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的样子。好像从前被“冻”得失去知觉时，被人们改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们“苏醒”了，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。类似的现象是在50年代初期就不止一次地被观察到，只不过当时没有引起足够的重视，所以使记忆合金的真正
33、实用化晚了十几年。美国海军研究所的这一发现引起了科学家的极大兴趣，他们在对此进行了深入的研究和反复的试验之后发现很多合金都有这种奇特的本领：人们可以在一定温度范围内根据需要改变它们的形状，可是到一个特定的温度，它们便一个个自动恢复到自己原来的形状，丝毫不差。而且这一“改变恢复”的现象可重复进行，其“记忆”能力决不会降低。科学家们把这种现象叫做“形状记忆效应”。所谓形状记忆效应是指某些合金材料在一定条件下，虽经变形但仍然能够恢复到变形前原始形状的能力。目前发现的有“记忆”能力的金属都是合金，就是通过人工的方法由几种不同金属混合而成的一类金属。在这种金属里，金属原子是按一定的方式排列起来的，而且这
34、些金属原子有一个特点就是当受到一定的外力时，它们可以离开自己原来的位置而“迁居”到邻近的另一个地方去暂时“借住”。这个过程，也就是金属做成的物体发生形变的过程。而当我们将这金属加温后，由于获得了一定的能量，这种金属里的原子又从“借住”的地方“搬回”原来的“家”去住。而这个过程就是我们看到的这种有灵性的金属在加热到一定的温度后又“记起”自己的模样而恢复原状的过程。科学家们称这个“唤醒”形状记忆合金并使它们发生改变的温度叫“转变温度”。每一种形状记忆合金都有自己的转变温度，而不同形状记忆合金的转变温度也不同。各种形状记忆合金在转变温度以上时的晶体结构是稳定的，当我们在低于这个温度下，用外力改变了合
35、金的形状时，这时合金的外形虽然发生了变化，但由于此时合金的晶体结构是处于一种不稳定的结构状况，只要温度一达到这种合金材料的转变温度，这种不稳定的晶体结构就会立即转变成稳定结构，这样就使得它从不稳定结构时被改变的形状恢复成原来稳定结构时的形状。这就是形状记忆合金做成的物体能“回忆起”原来的形状并发生变化的原因。那个被阿波罗登月舱带到月球上的环形天线，就是用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。形状记忆合金的可贵之处，在于它是一种无疲
36、劳的材料，这种“回忆”“变形”的本领可以反复使用500万次而不产生疲劳断裂，而且它恢复原状几乎可以达到100，即和原来一模一样。目前形状记忆合金主要分为镍-钛系、铜系和铁系合金等。镍-钛系形状记忆合金这是最有实用化前景的一种形状记忆材料。镍-钛形状记忆合金是美国海军兵器研究所在60年代初研制成功的，它以“National”的商品名称而闻名于世，并已成为用途最广泛的实用合金。这类合金迄今仍然是用量最多的形状记忆合金，其室温抗拉强度可达1000兆帕以上，密度较小为每平方厘米6.45克，疲劳强度高达480兆帕（2.5107循环周次），而且还具有很好的耐蚀性。70年代初，镍-钛合金管接头在美国F-14
37、飞机油路连接系统上得到大量应用，这是形状记忆合金的第一批产品，也是形状记忆合金发展史上的重大突破。近年来发展了一系列改良型的镍-钛合金，如在镍- 钛合金中添加铌、铜、铁、铝、硅、钼、钒、铬、锰、钴、锆、钯等元素。在此基础上研究开发了钛- 镍- 铜、钛- 镍-铌、钛- 镍-钯、钛-镍-铁、钛-镍-铬等新的镍-钛系合金，作为高温形状记忆合金材料是很有希望的。近年来日本形状记忆合金研究协会还开发了添加微量的铁或铬的镍-钛形状记忆合金，使其转变温度降至-100以下，特别适用于制作为低温环境下工作的驱动器等，从而进一步扩大了镍-钛形状记忆合金的应用范围。铜系形状记忆合金目前主要是铜- 锌-铝合金和铜-镍
38、-铝合金，它们是实用合金的开发对象。它们与镍-钛合金相比，由于制造加工容易，价格便宜，具有较好的记忆性能，而且相变点可在-100300范围内调节，因此对该种材料的研究较具实用化意义。但是目前铜系形状记忆合金还不如镍-钛系形状记忆合金那样成熟，实用化程度还不高，阻碍铜系形状记忆合金实用化的主要原因是合金的热稳定性差和容易引起晶界破坏。解决其脆性、晶粒粗大和循环失效等问题的主要途径是加入钛、锰、钒、硼及锆等稀土微量元素，使合金晶粒细化。铁系形状记忆合金铁系形状记忆合金的研究要晚于前两项。主要有铁-铂、铁-钯、铁-镍-钴-钛等系列合金，另外目前已知高锰钢和不锈钢也具有不完全性质的形状记忆效应。在价格
39、上，铁系形状记忆合金比镍-钛系和铜系形状记忆合金低得多，因此具有明显的竞争优势。但是应该说，铁系形状记忆合金的研究与应用尚处于开始阶段，有待进一步发展。形状记忆合金的最早应用是在管接头和紧固件上。如，用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4的套管，然后在液氮温度下将套管扩径约8，装配时将这种套管从液氮取出，把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，套管收缩即形成紧固密封。这种连接方式接触紧密能防渗漏、装配时间短，远胜于焊接，特别适合于在航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合应用。这种形状记忆材料也可用于安全报警系统，如火灾报警器等。还可用于能源开发，制成小型固体热机。形状记忆效应和
40、超弹性可广泛用于医学领域。如制造血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形弓丝、接骨板、人工关节、妇女胸罩、人造心脏等等。形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一体的新型材料，因而可广泛地应用于各种自动调节和控制装置，也称作智能材料。如人们正在设想利用形状记忆材料研制像半导体集成电路那样的集记忆材料驱动源控制为一体的机械集成元件，形状记忆薄膜和细丝可能成为未来超微型机械手和机器人的理想材料，它们除温度外不受任何其他环境条件的影响，可望在核反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域中大显身手。塑料是人们最熟悉的材料之一，它的强度好，密度低，耐腐蚀，可以制成各种机械零件和日用品。同时，它还是一种广泛使用的电绝
41、缘材料，然而你听说过塑料能导电吗？这纯粹是科学上的一次偶遇。1970年的一天，日本筑波大学的白川教授在指导学生做一项用乙烯气制取聚乙炔的实验时，学生误把比实际需要量多1000倍的催化剂加入试剂中，结果得到的不是应得到的含有碳基长链的黑色聚乙炔粉末，而是一种银光闪闪的薄膜，与其说是塑料，不如说更像金属。1977年，白川在与另外两个美国人研究这种塑料薄膜时发现，掺入碘后它居然能导电，导电率增加了3千万倍。尽管这样，它的导电率只相当于金属铅，或者说是铜和银的百分之80年代初，导电聚合物还是实验室的珍品，而现在已在许多工业领域内应用，并引起研究单位的重视。关于聚合物为什么能够导电，目前还没有圆满的答案
42、。但相信随着科学的发展，终会真相大白。随后的研究表明，除聚乙炔外，还有一些高分子聚合物加入掺杂剂后也成为导电塑料，例如聚苯硫醚、聚毗咯、聚噻吩、聚噻唑等。目前，已制成一批导电性与银、铜相当的聚合物，被称为有机金属或合成金属。首先在实验室取得成功并走进市场的是塑料电池。美国布里奇斯通和日本精工埃普森公司合资生产了一种电池，它的一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯胺导电塑料。它的尺寸与硬币相仿，可以多次重复充电。作为计算机的辅助电源，具有很长的工作寿命。德国生产的薄型挠性电池，仅明信片那么大，适合于手提式工具的电源。电池放电是因为两个电极之间有电压差存在。在普通电池里，包括上面谈到的塑料电池里，阳极
43、和阴极采用两种不同的材料制造。电池放电时，电极之一就逐渐溶解在电解质中，变成正离子，并在电解质中运动；电池充电时，这些离子获得电子，重新回到电极上。这样经过几次充放电后，电极表面易形成复膜，使电池效率降低和失效。在改进的塑料电池中，阴极和阳极是由相同的导电塑料薄膜组成，由电解质而不是电极来提供运动的正离子，因此经过多次充电和放电，电极材料依然完好如初。充电次数可达1000次以上。塑料电池体积小、重量轻，可以提供常规铅蓄电池10倍的电力，而且每次充电时间也缩短了。首先对塑料电池感兴趣的是汽车工业，人们早就希望用蓄电池做动力来代替内燃机，但在此之前蓄电池车都因为太笨重和性能不可靠而无法推广，而塑料
44、电池形状灵活，可以制成薄板装在汽车的车顶或车门夹层里，在汽车内的发动机位置只装一台高效的电动机，便可使汽车的加速性能和爬坡性能大大改善。此外，塑料电池是密封的，不会释放有害的化学物质和气体，因此这种蓄电池车将是一种无公害的小汽车。导电塑料薄膜有一种特殊性能，即通过电化学或物理方法可使它从透明变成不透明。丰田公司的一种高级小汽车计划采用带有这种导电塑料薄膜的窗玻璃，自动挡住强烈照射的阳光。导电塑料的另一特点是具有消除静电的功能。计算机和电子设备机房都要求抗静电防护，新型飞机上的电子器件要求防电磁干扰，树脂基复合材料机身、机翼要求防雷击，这些要求都可以用导电塑料薄膜屏蔽加以解决。导电塑料还有一项重
45、要的潜在用途，就是作为未来机器人的人工肌肉，当用电化学方法对某些导电塑料掺杂和不掺杂时，其体积就能发生膨胀和收缩的变化，使机器人的四肢获得必要的运动。在美国、欧洲和日本的一些实验室里已制成一系列导电塑料器件，其中包括二极管和晶体管。导电塑料的导电性跨越了绝缘体-半导体-导体三种状态，因此有很大的灵活性。目前的太阳能电池是由硅和其它半导体材料制成，不仅成本高，而且效率低（ 10以下）。如果一旦改用导电塑料薄膜，就可以使用压制薄膜切割法，生产出大量廉价的高效太阳能电池。科学家预言，在未来的能源工业中，导电塑料将成为重要的一员。经过几十年的不断了解，塑料的性格已为人们所熟悉。目前，几乎所有的合成塑料
46、都具有很高的化学稳定性，它们耐酸耐碱，不蛀不霉，把它们埋入地下，上百年也不会腐烂。然而，有利必有弊，废弃的塑料因其耐久性已经成为严重的公害。据统计，发达国家居民的垃圾总量中塑料占78。尽管环境法律规定垃圾必须分类倾倒，但回收的塑料仍是有限，不能从根本上解决环境污染问题。80年代中期，美国一些州立法规定食品包装物和容器必须使用可降解的塑料制造，从而使那些流失的塑料能在较简单的自然和人工条件下溶化、腐烂掉。这一潮流正在影响欧洲国家，估计到90年代将波及全世界的食品工业和其它工业，可降解将成为对包装塑料的重要要求。塑料顽强的耐久性来源于它的化学结构，合成塑料是由不断重复的碳氢分子长链组成的，被称为高
47、分子聚合物的这些长链结合得十分牢固，使得许多溶液和微生物对它无计可施。长期以来化学家的任务是寻找一种弱化这些合成链却又不降低其强度的途径。目前已出现三种类型的可降解塑料，这就是生物降解塑料、化学降解塑料和光照降解塑料。生物降解塑料是一种能被土壤中的微生物和酶分解掉的塑料，即能像有机植物一样腐败的物质。在试验过的成分中，最简单的莫过于在塑料中添加淀粉，以破坏和削弱聚合链，使之达到微生物能消化的程度，最后分解成水和二氧化碳。美国农业部开发的一种方法是在塑料中加入4050的凝胶状淀粉，另一家公司则把加入有机硅耦联剂处理后的淀粉和少量玉米不饱和脂肪酸作为氧化剂。这些塑料在堆肥条件下经过35年后分解。很
48、明显，这些塑料都具有成本高和降解期长的缺点。光降解塑料中含有羟基，能依靠吸收阳光中的紫外线来破环合成链，使塑料变脆和崩解。目前已有一些食品包装袋和瓶罐使用这种塑料制造，同化学降解塑料一样，光降解塑料也会留下一堆残渣，需要好几年才能完全降解掉。值得注意的是，这些塑料都要求适当的降解环境。光降解塑料必须较长时间暴露在阳光下，生物降解塑料和化学降解塑料必须埋入土中或沉入水中，才能保证细菌存活。谈到吸水性强的物质，人们一下子就想到海绵，它能吸收相当于自重几倍的水分，然而，现在我们见到的高吸水性塑料却可吸收相当于自重几百倍甚至上千倍的水分。吸水膨胀后即便加压，也很难把水剂压出来。不象海绵一样一拿起来就会流失水分。这些奇特的高吸水性塑料制品已进入市场，带给人们极大的方便。例如，供婴儿用的名副其实的“尿不湿”纸尿布，即便吸入了1000毫升水（相当于两瓶多牛奶），仍然滴水不漏，而且仍保持着通气性。令年轻妈妈放心的是这种纸尿布吸湿部位会收缩出现皱褶，将婴儿臀部轻轻托起，免去淹浸之忧，使婴儿一整夜不用换一次尿布。高吸水性塑料的成分