21世纪的突破

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所属分类:科学故事
摘要

21世纪的突破全球经济腾飞的洪流,势不可挡,汹涌澎湃,冲击着科学、技术、产业、文化的经络,展示出未来21世纪的宏伟蓝图。材料仍然是21世纪经济发展的柱石,科学家们已经预言:非晶态如繁星密布;高温超导将掀起第四次技术革命;纳米将是21世纪的材料新单元;高分子将功盖全球。这一切将汇成21世纪的最强音,人类的文明将进入新纪元。繁星闪烁非晶态材料是材料科学中一个广阔而又崭新的领域。自然界中的各种物质,按组成物质的原子模型,分为两大类:一类为“有序结构”的晶态物质,它的原子占据着布

  21世纪的突破

  全球经济腾飞的洪流,势不可挡,汹涌澎湃,冲击着科学、技术、产业、文化的经络,展示出未来21世纪的宏伟蓝图。材料仍然是21世纪经济发展的柱石,科学家们已经预言:非晶态如繁星密布;高温超导将掀起第四次技术革命;纳米将是21世纪的材料新单元;高分子将功盖全球。这一切将汇成21世纪的最强音,人类的文明将进入新纪元。

  繁星闪烁

  非晶态材料是材料科学中一个广阔而又崭新的领域。自然界中的各种物质,按组成物质的原子模型,分为两大类:一类为“有序结构”的晶态物质,它的原子占据着布拉菲点阵上的顶点,而每个晶胞则呈有规律的周期性排列。另一类是气体、液体和某些固体(非晶固体)则称为“无序结构”。气体相当于物质的稀释态,液体和非晶态固体相当于物质的凝聚态。液体分子就像口袋里装着的小弹子,一个紧挨一个地密集堆叠在一起。气态或液态也可获得非晶态的固体。非晶态固体的分子好像液体一样,以同样的紧密程度,一个紧挨着一个无序堆积(杂乱无章地堆积)。所不同的是在液体中,分子很容易流动。而在稠密的糊状物中,分子滑动则变得很困难。非晶固体中的分子则不能滑动,具有固有的形状和很大的刚硬性,被称为“凝结的液体”。

  “非晶态”的概念在人们的头脑里是相对于“晶态”而言的。金属和很多固体,它们的结构状态是按一定的几何图形、有规则地周期排列而成,就是我们曾定义的“有序结构”。而在非晶态材料的结构中,它只有在一定的大小范围内,原子才形成一定的几何图形排列,近邻的原子间距、键长才具有一定的规律性。例如非晶合金,在15~20范围内,它们的原子排列成四面体的结构,每个原子就占据了四面体的棱柱的交点上。但是,在大于20的范围内,原子成为各种无规则的堆积,不能形成有规则的几何图形排列。因此,这类材料具有独特的物理、化学性能,有些非晶合金的某些性能要比晶态更为优异。

  在人类发展史上,非晶态物质如树脂、矿物胶脂等,早在几千年前的远古时代,已被人类的祖先所利用。在我国,玻璃制造至少已有2000年的历史。近半个世纪以来,人们几乎全部致力于理想的晶态物质及其超高纯度高均匀方面的研究,而忽略了非晶态物质的开发。

  20世纪30年代,克拉默尔用气相沉积法获得了第一个非晶态合金。50年代中期,科洛密兹等人,首先发现了非晶态半导体具有特殊的电子特性。1958年,安德森提出:“组成材料的几何图形(晶格)混乱无规则地堆积到一定程度,固体中的电子扩散运动几乎停止,导致非晶态材料具有特殊的电、磁、光、热的特性。”这就引起了科学家们的极大兴趣。但是,当时如何制造能够应用的非晶态材料的方法尚未解决,金属、合金的生产仍沿用传统的炼金术。

  1960年,美国加州理工学院杜威兹教授领导的研究小组发明了用急冷技术制作出进行工业生产的非晶合金的办法。采用这种方法,可以制备出各种宽度的非晶合金条带,条带的带宽已达150毫米以上。另外,这种方法还可制备非晶态的粉末,其粉末粒度直径可达1μm(微米,1‰毫米)左右。这种方法也可制备非晶合金丝。此方法在冶金工业生产工序上节省了多道工序,节省能源消耗,被称为冶金工艺的一次革命,也就是“炼金术”的革命。

  非晶固体的研究结果已发现的非晶态材料包括:非晶态金属及其合金、非晶态半导体、非晶态超导体、非晶态电介质、非晶态离子导体、非晶态高分子及传统的氧化物玻璃等。可见非晶态材料是一个包罗万象,极为富有的材料家族,它已广泛应用于航天、航空、电机、电子工业、化工以及高科技各领域并取得了显著效果,而且,还继续显示着它的不竭功能。

  非晶态金属比一般金属具有极高的强度,如非晶态合金FeB,其断裂强度达370kg/mm,是一般优质结构钢的7倍,弯曲形变可达50%以上。可见,它在保持高强度的同时还具有较高的韧性。这种非晶态合金还具有优异的抗辐射特性,经中子、γ射线辐照而不损坏,在火箭、宇航、核反应堆、受控核反应等方面都具有特殊的应用。非晶态材料可以制备成复合材料和层状材料。在产品生产工序上,金属玻璃的制备可以连续生产,一次成型,生产程序简单、成本低廉。自1974年起,美国、日本、西德、法国已大量投资,提供了不少的市场产品。

  非晶态合金在工业上首先使用于变压器,非晶合金片薄,一般为20~30μm(微米,1‰毫米)制成这种微型优质变压器适用于航天、航空、航海的供电网络上。由它制成的其他配电变压器、脉冲变压器都已投入使用。常用的变压器铁心均是用硅钢片制造,而且条经过冲压、剪切、绝缘等6~8道工序。采用非晶态合金片,减少了这一连串工序,而且所制成的变压器能量损耗低,只有硅钢片变压器的40%。同时,这种非晶态合金片的强度比硅钢片的高,耐腐蚀性好,还具有极优的电学性能。不久,用非晶态合金片做成的电动机诞生了。1980年,美国GE公司用非晶态合金片做成了电动机,其体积小,能量损耗低,其耗能只有用硅钢片制成的电动机的1/3。目前,全世界已有6~7万台非晶态合金制成的配电变压器投入运行。如果在我国,将硅钢片制造的配电变压器全部换成非晶态合金片的变压器,那么每年可节电100亿度,约合价值人民币10亿元以上。世界上属于非晶合金的生产类型很多,美国有58个,日本73个,我国28个,并且已有年产百万吨铁心的非晶合金厂。非晶合金种类极多,有以铁为主的叫铁基非晶态合金,还有钴基、铁—镍基、铁—钴基、铜基、镍基等。非晶合金还包括永久磁性或在电场下具有磁性的磁性材料,前者称硬磁材料,后者称软磁材料。

  非晶态磁头,是非晶态合金应用的另一个领域。一种钴——铁——镍——铌——硅——硼体系的非晶态合金耐磨性高、噪声小、硬度高(比常用磁头的硬度高2~3倍),是很好的磁记录材料。

  早在1988年,我国已生产80吨非晶态软磁合金,用于电子工业的各种电器。非晶态钯——硅合金,可作成电磁、超声信号延迟线,作为信号延迟一段时间的器件,并用于军工、雷达电子计算机、彩色电视、通迅系统或测量仪器。电磁延迟线可由几毫微秒延长达几十微秒,超声延迟线则由几微秒延迟到几千微秒,均可直接使用,免除了一大套延迟讯号的线路和仪器设备。用非晶态合金制作成性能稳定、精确可靠的应变仪和各种传感器都已投入使用,已形成替代原有设备、器件之趋势。

  非晶态还有一些独特功能,如低热膨胀系数、在磁场作用下变形接近于零等,根据这些特性,人们已经制造出各种要求不随温度、磁场而变化的精密仪器,如标准量具、精密天平、高精度钟表、10~10立方米的液化天然气的大型运输罐等。常用的磁录像机、电视和电子显微镜也都需要大量的非晶态合金,如铁——硼系,铁——磷系(铁、镍、钴)——锆系等非晶态合金。

  有的非晶态合金具有恒弹性特性,在受到不同压力作用下,其产生的形变大小,不随温度变化而变化,是制作精密计量仪器的重要材料。

  非晶态合金具有超高强度、高硬度、耐腐蚀的性质,是一种非常理想的刀具和轴承材料。

  非晶硅太阳能电池,在国际能源危机的情况下,闪耀着夺目的光辉。由于太阳能是取之不尽、用之不竭和没有污染的能源,所以非晶硅的研究热潮席卷全球。美国在1986年以前十年中已在这方面投入15亿美元。著名的物理学家英特在第八届国际非晶态会议的闭幕式上说:“我不能预见未来,不能说明究竟在什么时候,太阳能电池将要取代石油!”

  各种富有特性的非晶态材料已占领了科学、技术、产业的各个领域,它们已成为重要的新型固体材料的大家族。虽然,非晶态科学从理论到实践,还有许多问题尚未清楚,但是,有关非晶态材料的许多特性已被人们慢慢认识并付诸应用,在非晶态材料这个广阔的领域内,人们将会开拓出许多新课题、新性能、新材料和新前景。当代冶金工业的“炼金术”的革命,在21世纪将继续产生重大的影响。

  全球高温超导热的延伸与第四次技术革命

  人类的发展史上曾经兴起过三次技术革命的风暴,它们已经被光荣地载入史册。首次技术革命始于18世纪60年代,是以蒸汽机的广泛应用为标志,推动了社会工业化的大革命。第二次技术革命发生在19世纪7O年代,是以电力的广泛应用和无线电通讯的发明为标志,把全球推进到了生产自动化的文明社会。第三次技术革命的掀起是在20世纪50年代以后,科学家们进行了一些重要的实验,以发现了原子结构、电子、原子核分裂产生原子能、电子计算机、激光的广泛应用为标志,把人类社会推向了高度智能化的高度文明年代。随着高温超导体的发现,科学家们凭着高度灵敏的科学灵感,第四次技术革命即将到来!这是多么令人振奋的消息!在人类发展的历史长河中又要增添闪光的新星。回想超导材料发展的艰难岁月,科学研究者作出了多少艰辛的努力!

  1911年的一天,荷兰雷登大学的卡未林,翁纳斯(K.Onnes)突然向世界宣布,他发现了超导现象!!!这个消息震撼了世界,人们以十分兴奋而赞赏的目光注视着他的研究工作。1908年前,翁纳斯成功地将气体氦进行液化,使液体氦的温度接近绝对温标的绝对零度(零下273摄氏度)。这样,当翁纳斯的助手在接近绝对零度的温区研究金属汞的电阻和温度的关系时,发现在绝对温度4.2K附近,汞的电阻突然由0.125欧姆降到零。他的助手向翁纳斯报告了这种奇怪的令人难以置信的现象。翁纳斯开始并未介意,认为这可能是实验上的失误。但他还是以非常认真的态度,闭门谢客,把自己关进了实验室,经过一天一夜的观测,次日清晨,他向全世界宣布了他的实验结果。这个结果,具有无穷的凝聚力,吸引着许多富有探索精神的科学家,在世界科技界,掀起了超导研究的热浪。有人努力寻求电阻为零的新超导材料;有人探索超导材料的微观结构和微观机理;有人研究超导材料的电磁特性并且开拓它的应用领域。科学家们经历了75年的艰难岁月,尝遍了甜酸苦辣,已查明在元素周期表里的大部分元素本身都具有超导特性或在高压力作用下呈超导现象。科学家们已肯定了其中只有33种元素本身没有超导性。但是,那些元素的超导转变温度极低,只有零点几度(绝对温度K)至几度(绝对温度K)。随即,由巴丁(J.Bardeen)、库柏(L.N.Cooper)和施瑞弗(J.R.Sechrieffer)共同创立了解释超导转变的微观理论。这就是著名的B.C.S理论,这个理论在1957年问世,他们因此而荣获诺贝尔物理奖。在研究超导体的电磁特性方面,1933年迈斯纳(W.Meissner)和奥克森菲尔德(R.Ochsenfeld)的磁测量表明,超导体的磁性完全与导体不同,他们将超导金属锡(Tc=3.72K)和铅(Tc=7.19K)样品放在,这磁通完全被除在样品外,样品表面的磁通线密度增加。纠正了统治超导界22年,认为超导体和导体的磁性能完全一致的观点。这个效应被称为迈斯纳效应,是现代悬浮超导列车能够飞速运行的理论基础。60年代后期,日本就开始执行超导磁悬浮列车计划,利用超导磁力使车厢在轨道上悬浮起来,并推动车厢高速前进。1972年第一台MC—100型实验车实验成功,车长400米,浮起10厘米,但时速每小时只有60千米;1978年时速达每小时347千米;1987年载入列车的时速已达每小时400千米。日本目前已计划建设从东京到大阪的时速为每小时500千米的磁悬浮铁路。超导悬浮列车在西欧也处在实验阶段,各方面技术在实验过程中都得到不断的提高。人们期望这种列车不久将会运行在铁路上。

  此外,用超导材料制造的电动机、发电机、变压器、热开关、辐射检验器以及无接触转换开关、国防军工仪器等已经投入使用。

  超导现象刺激着科学家们的求知欲,他们的理想像火山爆发一样沸腾了整个科学界。但是由于超导转变温度太低,超导的设备、仪器、元件还需要在液氦温区(4.2K)内工作,人们不得不以巨额投资设计和建造庞大的液氦站,建立繁杂的辅助设备,把气态的氦转变成液体氦,然后通过辅助设备送到使用的装置上去。所以当超导材料的超导转变温度还是在23.3K的时候,科学家们的美梦,只好冻结在漂渺的脑海之中。然而,要提高超导材料的超导转变温度,并不是一件轻而易举的事。经过75年的漫长岁月,超导材料的超导转变温度从4.2K到23.2K,仅提高了19K,这种缓慢的进展速度,多么令人困扰!

  1986年秋,中国科学院物理研究所的赵忠贤、陈立泉等人在镧钡铜氧和镧锶铜氧的氧化物体系中观察到了在46.3K和48.6K下的超导转变,同时物理研究所李林教授领导的研究小组,用溅射方法制备出超导转变温度为25~27K的镧锶钡氧超导薄膜。中国的科学家,在高科技的国际竞争中已进入角色。1993年,美国得克萨斯超导研究中心的美籍华人朱经武宣布,他制备出氧化汞、钡钙铜的超导体超导转变温度为153K(零下120℃),这是目前的最高纪录。

  全球超导热的浪潮,实际上是一场综合国力和科学水平的竞争,形成了美、中、日三国三足鼎立的格局。谁都不甘落后,新的研究,新的成果不断涌现,尤其是在1987~1988年间,几乎是每三天都有高温超导研究的新突破。还有一些科学家,如日本的科学家声称曾发现锶钡钇铜氧超导体系有60℃的超导转变,一些科技刊物多次报导发现室温超导的现象,美国休斯顿大学的科学家也声称在铒钡铜氧体系中发现有230K(零下43℃)的超导转变现象,遗憾的是,这些结果无法重复成功。超导研究的每个突破都牵动着无数人的心,震撼着科技界、产业界,各国政府都为超导研究鸣锣开道,美国原总统布什曾公开宣布他要亲自过问超导研究,可见其重视程度。

  超导热持续升温,而且持续的时间在科学史上是最长的,涉及的人数也是最多的,这是什么原因呢?正如高温超导体一出现,世界的科学家们就断言:第四次工业革命即将到来。因为高温超导体实现了在强电方面的应用,全球的电力输送,从发电到供配电模式都将全部改变,若能做到无损耗地输电,仅美国一个国家一年即可节省100亿美元。采用超导材料建设超导电子对撞机的电子贮存环,有可能使达到40万亿电子伏特的粒子发生对撞,对揭示神奇的微观世界和物质结构元将有重大的贡献。超导在弱电应用方面,如电子通讯、信息技术、精密仪表、核物理、医学、军工、宇航的应用均有着广阔的前景。高温超导的超导量子干涉仪已经诞生,为在上述领域中制备有关仪器打下了基础。日本东海铁道和铁路新技术研究所声称时速每小时为550千米的悬浮列车已经研制成功,并计划于1996年完成全部试验,投入使用。超导材料的成功应用,对电力工程、磁流体发电、超导电子学、地球物理、国防科学、生物磁学、医学等十几个学科都带来重大影响,高温超导材料在21世纪无疑会大放异彩。

  纳米材料定乾坤

  1959年,诺贝尔奖获得者,美国物理学家查德·费因曼(RichardPbillipsFeynman)曾经提出:“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,将会产生怎么样的奇迹?”这并不是一位科学家的异想天开,随着纳米材料科学的出现、发展与完善,它很快变成了现实。纳米科学将对人类社会生产力的发展产生深远的影响,有可能从根本上解决人类面临的重大问题,如粮食、健康、能源和环境保护等。

  纳米材料是指材料的尺寸处于1~100nm(纳米:即10~100)范围内的金属、金属化合物、无机物或高分子的颗粒。这些纳米级的颗粒显示出许多奇异的性能,这些性能既不同于通常的大块材料,也不同于单个原子状态的特性。纳米科学领域,包括纳米技术和纳米颗粒的制备方法,观测它们的奇异特性,各种纳米颗粒合成的纳米固体以及固体内的成份分布及纳米固体的新特性与有关的应用。

  从19世纪60年代开始,纳米材料的发现是在胶体溶液中,它们是直径为1~100nm的粒子。科学家指出,直径小于1nm的颗粒是由100个原子构成,称为原子簇团。固体的纳米材料首先是由德国萨利仑特斯大学的H.格利特(H.Gleit-er)教授所领导的研究组在1984年制成,他们是用6nm(纳米)铁粉压成纳米固体。1986年,H.格利特宣称,纳米固体是一种具有奇异结构类型的固体,而且指出,在纳米颗粒的直径为2~10nm的颗粒中,其原子数目一般为100~1000个,其中有50%的体积为按不同方向排列的界面原子。这样组合而成的材料,表现出这种材料既不同于晶态,也不同于非晶态。在纳米粉末方面,性质上显现出一连串奇异的物理特性,如金属的纳米粒子并不反光而且吸收光,一般金属粉末在不同程度上都具有反射光的性质,而呈现白色或灰色。而纳米金属粒子都很黑,不反光,说明具有很强的吸光特性。另外,纳米金属粒子的熔点明显的比金属粉末低,如10纳米的铁粉,熔点降低33℃,即从1526.5℃降为1493.5℃。纳米金粉降低27℃,即从1063℃至1036℃。其粒度越细,熔点下降越显著。在光学、电学、磁学、热学等方面均与同类的块体材料不同。而且对于同一物质,即便有同样粒度,也会由于制备方法、所处的环境和测量方法的不同而得到不同的特性。

  1982年,G.宾宁格(G.Binnlg)和H.罗尔(H.Rohrer)发明了扫描隧道显微镜(STM)。这种显微分析技术可以直接观察到原子,为开展纳米材料的研究创造了有利条件。到80年代末,扫描隧道显微镜不仅是一种观测的工具,而且,还可用来排布原子。为此,G.宾宁格和H.罗尔在1986年获得诺贝尔奖。这种扫描隧道显微镜的价格仅为电子显微镜的l/10,但其放大倍数要比电子显微镜大10倍以上。我国的科学家已经成功地制造了这类仪器,而且它已进入了国内某些实验室。

  1989年,美国斯坦福大学的阿尔希勒奇在晶态石墨表面搬走了原子因,写下了“Stanforduniversty”的字样。1990年,美国IBM公司的埃格勒博士在零下296C的Ni表面用35个氢原子排出了“IBM”的字样。1991年,日本电光学有限公司在硅表面上搬走原子写下了“CEOL”(公司的缩写)。1993年12月,中科院北京真空物理实验室的宠世谨教授在硅表面搬走了原子,写下了“中国”的字样。短短几年中,美、日、中三国已掌握了搬动原子的纳米技术,所写下的字母大小是一个标点符号的1/500000,表明人类按需要排布一个个原子的技术已成为可能。查德·费因曼的梦想变成现实已不是遥远的事情了,人类打开多姿多彩的原子、分子世界的时代即将到来。随着纳米技术的发展,为开发原子级存贮技术,打下了有利的基础。如果将某种存贮材料的原子一个个地按预想的方式进行排列,几个原子一组作为一个存贮单元,根据设计的功能,进行合理布局,这样就可以使单位面积(或单位体积)的存贮材料的容量提高几个数量级。这样,飞跃发展的计算机技术就会如虎添翼,超高速的计算机将遍地开花。

  纳米技术促进着纳米材料的发展,当纳米材料实现原子级的布局的时候,人类就会进人一个崭新的天地。目前,在现有的科学水平上,纳米材料的制备基本上分成两个阶段。首先是纳米颗粒的制备,接着是保持这些纳米颗粒在没有受到污染(包括表面氧化)的条件下用SGPa(G为千兆帕,即10‘帕)的高压将纳米颗粒压缩成纳米固体。为了使纳米颗粒不受污染,纳米颗粒的制备和纳米固体的压制都应在超高真空(10帕)容器中进行。生产纳米颗粒的方法很多,有机械研磨法、物理方法和化学方法。用物理方法制取纳米粉末的设备和非晶态薄膜制备的方法原理相似,都可采用电子束、激光束、高频加热、电阻加热等离子溅射,电子回旋共振等离子溅射等方法,这些方法首先将待加工的材料激发成原子蒸汽再使它们沉淀下来,然后收集粉末,进行压制。这类制备方法能获得较纯净的纳米材料,而且易于控制,但还无法解决大量生产的问题。化学方法制备的纳米颗粒,粒度比较大,且不均匀,连续压制成纳米材料比较困难。工业上已能制备的金属纳米颗粒有:钠、钾、钙、铜、钼、镥、钌、银、钽、钨、锇、铼、铱、金、铊、铂、钯等,还有部分金属氧化物。

  纳米材料的应用将以丰富多彩的特色在材料科学史上描绘出奇妙的一页,如纳米镍粉或铜锌纳米粉末对某些化合物反应是极好的催化剂,可代替昂贵的铂金或钯催化剂。铁的纳米颗粒外面覆盖着一层5~20nm(纳米)的聚合物,可以固定大量蛋白质或酶,以控制生物反应,在生物技术和酶工程领域中大有用处。高分子的纳米材料在润滑剂、高级涂料、人工肾脏、各种传感器及功能电极材料方面均有重要应用。纳米材料的磁性功能也是非常突出的,纳米级的磁记录材料能获得很高密度的磁记录特性。纳米材料不仅包括粉状,而且还有纳米级的薄膜和纳米纤维。纳米薄膜又称超薄膜材料,制成10nm磁膜或磁带材料,其磁性能得到显著的改善,如铁——硼——硅非晶磁膜的磁导率比一般同类成分的磁性材料分别提高10倍。

  纳米机器人(nanorobot)正在科学家们精心的设计之中,第一代的纳米机器人是生物系统(如酶)和机械系统有机结合的产物,即使用多功能的微型机器人(称为易于在人体血管流动的药物),注入人体血管内,作为全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,甚至还能消灭病毒,杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子、分子装配成有一定功能的纳米尺寸的装配装置,它具有自我调节能力和转换程序,例如可以生产人体所需的蛋白质。第三代纳米机器人将是含有纳米电子计算机的,可以实现人机对话的并有自身复制能力的纳米装置。那时,人类的劳动方式将彻底改变,劳动的主体——人将得到完全解放!

  纳米材料一出现,有的科学家就预言,纳米材料将是21世纪材料构成的基本单元,这就意味着,由纳米材料构成的许多新材料将会显示出许多前所未有的奇异特性。于是,美国最早成立了纳米研究中心。早在1985年,日本就建立了全国性的研究体制。英国政府在财政困难下,1992年投入1280万英镑支持纳米技术的发展。我国已在1990~1992年先后召开了两次全国性的纳米学术盛会,并把纳米技术纳入“863”计划。人类进化史表明一个真理,“一个充满挑战的时代也往往是一个充满机遇的时代”,机遇总是降临到敢于驾驭局势的人们。历史最终属于创造它的“上帝”。

  高分子王国

  在世界范围内,高分子材料的制品属于最年轻的材料。它不仅遍及各个工业领域,而且已进入所有的家庭,其产量已有超过金属材料的趋势,将是21世纪最活跃的材料支柱。

  高分子材料是有机化合物,有机化合物是碳元素的化合物。除碳原子外,其他元素主要是氢、氧、氮等。碳原子与碳原子之间,碳原子与其他元素的原子之间,能形成稳定的结构。碳原子是四价,每个一价的价键可以和一个氢原子键连接,所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物。有机化合物的总数已接近千万种,远远超过其他元素的化合物的总和,而且新的有机化合物还不断地被合成出来。这样,由于不同的特殊结构的形成,使有机化合物具有很独特的功能。高分子中可以把某些有机物结构(又称为功能团)替换,以改变高分子的特性。高分子具有巨大的分子量,达到至少1万以上,或几百万至千万以上,所以,人们将其称为高分子、大分子或高聚物。

  高分子材料包括三大合成材料,即塑料、合成纤维和合成橡胶(未加工之前称为树脂)。

  面向21世纪的高科技迅猛发展,带动了社会经济和其他产业的飞跃,高分子已明确地承担起历史的重任,向高性能化、多功能化、生物化三个方向发展。21世纪的材料将是一个光辉灿烂的高分子王国。

  现有的高分子材料已具有很高的强度和韧性,足以和金属材料相媲美,我们日用的家用器械、家具、洗衣机、冰箱、电视机、交通工具、住宅等,大部分的金属构造已被高分子材料所代替。工业、农业、交通以及高科技的发展,要求高分子材料具有更高的强度、硬度、韧性、耐温、耐磨、耐油、耐折等特性,这些都是高分子材料要解决的重大问题。从理论上推算,高分子材料的强度还有很大的潜力。

  在提高高分子的性能方面,最重要的还是制成复合材料第一代复合材料是玻璃钢,是以玻璃纤维和合成树脂为粘合剂制成。它具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、导热系数低、易于加工等优良性能,用于火箭、导弹、船只和汽车躯体及电视天线之中。其后,人们把玻璃纤维换成碳纤维,其重量更轻,强度比钢要高3~5倍,这就是第二代的复合材料。如果改用芳纶纤维,其强度更高,为钢丝的5倍。高性能的高分子材料的开拓和创新尚有极大的潜力。科学家预测,21世纪初,每年必须比目前多生产1500~2000万吨纤维材料才能满足需要,所以必须生产大量的合成纤维材料,而且要具有更轻型、耐火、阻燃、防臭、吸水、杀菌等特性。有许多新型纤维,如轻型空腔纤维、泡沫纤维、各种截面形状的纤维、多组份纤维材料等纷纷被研制出来,人们可指望会有耐静电、耐脏、耐油,甚至不会沾灰的纤维材料问世。这些纤维材料将用于宇航天线、宇航反射器、心脏瓣膜和人体大动脉。

  高分子功能材料,在高分子王国里是一片百花争艳的盛景。由于高分子的功能团能够替代,所以只要采用极为简便的方法,就可以制造各种各样的高分子功能材料。常用的吸水性材料,如棉花、海绵,其吸水能力只有本身重量的20倍,在挤压时,已吸收的大部分水将被挤出来。而用淀粉和丙烯腈制成的高分子吸水材料,它不仅能吸收自身重量数百倍到上千倍的水,而且受到挤压也不会挤出水来。人们可以期望,将高吸水性的高分子材料制成能将化学能转变成机械能的装置,以及具有类似于肌肉的功能或制造测量仪器。在微电子工业的光刻集成块工艺,常用的光刻胶(又称光致抗蚀材料),就是能使高分子相连接一种功能团,光照射时会起化学反应,使其溶解度降低或提高。应用这种光刻胶制备集成块,可以使集成块的线宽达到0.1到0.01微米(1‰毫米),只有用其他工艺制成的集成块的线宽的1/10到1/100,是适合于21世纪的电子计算机的主要元件——微细元件的开关。光刻胶并能用于各种精细加工,如半导体元件,EP刷线路板,金属板膜或表面的精细加工、玻璃、陶瓷的精细刻蚀、精密机械零件加工等。

  高分子功能材料应用在信息工程方面,已经生产了光电导摄影材料、光信息记录材料、光——能转换材料,并都已进入实用阶段。

  像“当代摩西神树”的离子交换树脂的高分子功能材料也发展很快,许多高分子离子交换膜、高分子反渗透膜、高分子气体分离膜、高分子透过蒸气膜等都在化学工艺的筛分、沉淀、过滤、蒸馏、结晶、萃取、吸附等过程中获得应用,而且分离结果优于其他方法,可节约大量能量。日本的制盐工业早已用离子交换膜去代替盐田和电解食盐工艺。利用反渗透膜对有机化工、酿造工业的三废进行处理,可回收胺、酯、醇、醚、酮、酚等重要有机化合物。气体分离膜对不同气体的透过率和选择性不同,可以利用这一性质从混合气体中选择分离某种气体,如从空气中富集氧,从合成氨中回收氢,从天然气中收集氦,还可以制备一种水下呼吸器(人工鳃),它是直接从海水中提取氧的潜水装置,人类可望能长期生活在海水中,进入海龙王的宫殿,分享海龙王海底宁静的幸福生活的梦想可变成现实。还有各种信息转换膜、反应控制膜、能量输送膜等正在研制阶段。一种富有吸引力的生物膜也正在研究之中。生物膜具有奇特的性能,不仅能主动起能量、信息、物质的传递作用,还能参加光合作用及有机物质的生命合成等生命活动。这就是21世纪的高科技的一颗明珠,摘取这颗明珠需要有极大的勇气和百折不挠的精神。

  高分子功能材料的另一极为重要的发展就是用于催促化学反应,这类高分子功能材料被称为高分子催化剂。早在本世纪40年代,人们已经使用一种叫交联磺化聚苯乙烯的离子交换树脂作催化剂,用于化学反应的各个过程,如水解、缩合、聚合等。尔后,这类高分子功能材料发展很快,高分子金属络合物催化剂接着问世,它能够在化学反应中加速捕捉金属离子,实现金属化合物的迅速分离,在工业生产和工业分析上是一种十分重要的方法。还有高分子金属催化剂,是促进化合物中金属离子迅速完成化学反应的材料,它已获得了成功的应用。自然界存在一种最有效的催化剂,称为酶。这一类高分子材料像酶一样有很强的催化作用,称为人工合成酶。酶是由氨基酸组成的蛋白质高分子化合物,它是生物体内各种生物化学反应的高效催化剂,是性能最优异的天然的高分子功能材料。现在,各种人工合成酶已经研制成功并逐步投入应用,其种类越来越多,科学家根据酶的作用原理试图模仿应用于化学工业的催化剂,在化学工业上进行一场革命。它可以制作进行化工生产,可以充分利用再生的生物资源,以摆脱传统的以石油系列为主要原料的合成工艺,而且还可用酶的催化原理,避开传统的合成工艺中的高温,高压的条件,在各种物质混合的状态下,有选择地使特定物质发生化学反应,使反应物能够不加分离地连续反应至生产出最终产物。这样,生物反应器将会改变化工企业高塔林立的传统面貌,不仅能节约能源,改善工作环境,同进还可以广开化工资源,消灭废水、废气和废料(又称三废),使建立无污染的理想化学工业成为可能。例如天门冬酰胺酶制成的中性树脂的前景就非常光明。

  高分子材料在医学和生命科学上的应用已有很长的历史,但是依靠着高科技的进步,近期来这个领域的发展令人惊讶,人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人工血管、人造血液、人工皮肤、人工骨骼、人工关节,从研制迅速成功到不断完善,并且已付诸使用。高分子材料制作的手术器械、医护用品已不计其数。

  高分子材料生物化的最大特色就是控制人的健康和生命,利用不带药剂性的高分子与其他药剂合成的高分子药剂,可大大改善治疗效果,这一类药剂人体易于吸收,毒性和副作用小。如引起恶心、全身不适等不良反应的抗癌药,把它们高分子化,其效果就大大改善,像抗癌药芳庚酚酮和甲基丙烯酸结合为高分子,其效果更佳。另一类高分子药物,本身就有很高的药效,如合成的聚乙烯吡咯烷酮,就可以作为血浆的代用品。商品化的聚醚与聚氨酯合成的高分子药物与血浆蛋白质中的白蛋白的亲和力特别高,相处很融洽,是一种解决人体血凝的医用高分子材料。

  纵观上述,高分子已经成为21世纪材料科学中强有力的支柱,高分子材料的发展在21世纪将会取得更大的成就。

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