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第11章 、探索材料空间(2)

阿波罗登月计划中,用的半球形天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。

16.黑铅本来不是铅

有的小朋友在拿铅笔写字的时候,经常爱咬铅笔头,家长们看到后阻止时,也许会说:别咬它,有毒!我们也听说过铅是一种有毒的物质,那么铅笔芯是铅做的吗?

1790年英法战争后,法国人买不到打印石,化学家康德就把“黑铅”磨成细粉,掺上黏土,和成一根根黑色长条,在炉窑里焙烧以后,做成黑铅芯,用来画记号、写字。不过,黑铅芯用起来会弄脏手指,还容易折断。1812年美国一位木匠想办法在两根细木条上刻上凹槽,嵌上黑铅芯,再把两根木条对拼粘合在一起,这就是世界上第一支铅笔了。

那么,做铅笔芯的“黑铅”到底是不是铅呢?化学家经过鉴定,发现“黑铅”要比铅轻得多,一敲就碎,放在火里燃烧起来和炭一样。原来,这“黑铅”并不是铅,而是非金属的碳的一种,它的真名应该叫做石墨。可是那时,人们已经习惯把它叫做铅笔了,也就没有改叫“石墨笔”的必要了,铅笔一名也一直沿用到现在。

17.爱美的晶体管

卷曲的晶体管会是什么样子呢?

国际商用机器公司(IBM)的研究人员说,他们已经研制出一种可卷曲的薄晶体管,这种晶体管有朝一日可以用来生产诸如可卷起来的计算机屏幕等产品。

这些研究人员说,他们的发明成本低,可喷到塑料制品上,因而在许多领域都有用途。这种晶体管是用非常薄的材料涂层制成的,可涂在塑料制品上。目前的晶体管是用必须经过高温处理的材料制成的。也就是说,晶体管必须安置在不会融化的坚硬表面上。

负责这项研究的谢里耶·卡甘说:“便携式计算机的显示器是用硅制成的,需要在更高的温度下加以处理。塑料抗不住如此高的温度。”

卡甘说:“使用这种新材料,你可以得到两个好处:既可以利用无机半导体的优点,又可以利用有机材料帮助调整结构。”

18.妙手回春冷刀切

据国外报道,将低温技术用于冷冻生物体,把患了癌症等疑难杂症病的人体长期冷冻保存起来,送交给实现安全疗法的未来。人们认为,这种科学幼想小说中的故事也将实现,现在正稳步地进行这方面的研究工作。

超低温在医疗方面已经引起了技术革命,有一种从极细的喷嘴喷出一定量液氮的超低温手术刀,能彻底去除坏组织。对患有瘊子的患者,用这个方法不会带来任何痛苦就能够安全、简单地除去,连痕迹也不留。在脑外科及癌症等手术中,可以准确地去除极微细的患部,手术前后都不要花太多的功夫。事实上,这种低温技术,正在医疗领域渐渐的普及开来。

比如利用超导的反磁性做成超导床,可把患者的身体浮游于床上几厘米高的空中,这样,绝不会长出因身体不能动弹的重病患者和只能躺着的老人等最害怕的褥疮。如果开发出高温超导体,那么超导床及其维持费用将变得很便宜。

在我们的身边,虽然现在还没有使用超导的例子,然而一部分科学家认为,将来超导产品也将像现在的导体产品一样深入到我们的家庭中去。

19.春江水暖衣自知

人们总是根据天气温度与自己对外界的感觉来感知四时的变化,并随时替换衣服的。这样难免太麻烦又不十分准确合适,怎么办呢?

发明一种恒温服也许最妙不过了:科学家们从衣服的材料上入手,已经发明了能随天气变换调节温度,而且十分轻便的衣服。

这种轻便的恒温服分两种设计形式:一种是电子式的,一种是晶体纤维式的。

电子式的恒温服就像电热毯一样,但它是自动来调节温度的。这种衣料里编织有微细的加热、冷却和通风的材料,并有许多微细的传感器。这些传感器和人的皮肤接触,好比无数个体温计,记录着皮肤的温度。比如,当人感到寒冷而皮肤温度下降时,传感器便会及时发现,并自动地进行调整。

晶体式衣料是用经过特殊处理的纤维制造的。这种晶体材料会随着温度的变化,变换着自己的排列结构,吸收或释放能量。

20.引发一次住房革命的技术材料

随着石油价格下跌、木材价格上涨和技术发展,塑料房屋开始出现。这不再只是未来主题乐园的魅力,也不是过时的实用型住房试验;用合成材料建造的房屋正在打入中上阶层的住房市场。

塑料房屋对房地产开发商们的诱惑在于价格便宜、耐腐蚀、防虫咬兽啃,孩子们也无法在上面乱写乱画。建筑设计者之所以青睐它,是因为它可以作为高技术凉爽材料的试验场地,并有可能解决全球住房紧缺的问题。尽管塑料房屋的观念在具有环保意识的社区遭到冷遇,但是一些建筑设计人员说,这类新技术可能引起下一次住房革命,或者至少是出现由塑料房屋构成的住宅小区。毫无疑问,塑料房屋在住房市场上只占很小的份额,但人们对聚合物的偏见正在逐步淡化。

纽约现代艺术博物馆建筑与设计方面的主要负责人特伦斯·赖利说:“60年代生产的第一代塑料早已被淘汰,如今生产的新一代产品更加美观精细。”

我们可能不久就会发现,坚固耐用的新式膝上型计算机和手持式电话摔落在地仍将完好无损。国际商用机器公司(IBM)的研究人员在《科学》杂志上撰文说,他们研制出了用塑料而不是易碎的硅晶体制成的晶体管。这些新晶体管可以依靠这些装置的显示屏所需要的低电压运行。

21.挑战奥运冠军

在材料科学的发展中,有不少是在很明确的实用性目标的指引下展开探究的。

英国一家自行车公司首次采用二氧化硅材质的轮胎和陶瓷轴承制造了一种新型自行车,其目标是打破由奥运会自行车赛金牌得主克里斯·博德曼保持的世界纪录。

这种取名为奥罗拉的自行车重量更轻,且更加坚固耐用。车身采用的材料是只有维夫薄饼厚的一整片碳复合材料,设计的形状很像战斗机的机翼。这种轻质复合材料通常是军方制造隐形炸弹时所用。

轴承采用的是与超音速汽车和宇宙飞船上相类似的轴承,它使自行车的重量降低,性能提高。这是由于在车轮和曲柄上省掉了标准的钢轴承,而是采用氮化硅复合材料,因而大大降低了滚动阻力,提高了车速。

在降低滚动阻力方面,最大的创新是采用了二氧化硅材质的新型轮胎。这种降低阻力的新技术并不仅限于自行车上使用。该车的发明人布鲁斯·伯斯福特和他的研制小组还利用这项技术研制出一种新型的头盔。

22.发挥智慧能感应

如何使一些无生命、冷冰冰的物体看上去有知觉、感觉,就像灵魂附体一样?对,这些物体确实被赋予了“灵魂”,使它们似乎有了“智慧”.当然,它们的“智慧”是人给的,是用来为人类服务的。科学家们希望的是,给从飞机到墙壁等所有的物体安上“眼睛”、“大脑”、“肌肉”等,使它们成为“智能材料”.

比如让桥梁和公路自己修补裂痕。在桥梁或公路内部铺上充满密封剂的纤维,一旦出现裂缝,纤维也会破裂,放出密封剂将破裂的地方修补好。当空气污染超标时,“智能材料”会使冒烟的烟囱改变颜色,以使人们来提醒它的主人;当路面结冰时,路面会变色,以提醒司机小心。

小档案

智能材料

智能材料是一种新型材料,他们能够自动感知周围的环境,对外界的刺激能够做出适当的反应,对自身的缺陷和破环能够预先做出检测和预报。

23.给自己接通电源

你见过带有MP3音导播放器的比基尼游泳衣、内装移动电话的衬衣和既可保暖又可告诫那些彼此距离太近的滑雪者放慢速度的滑血衣吗?如果你父母对你不放心,他们可让你穿上内带全球定位仪的儿童定位衫,以保证随时找得到你。

这些都不是幻想。与以前通电线的衣服不同。

设在萨里的消费类电子产品公司--菲律宾雷德希尔实验室的多学科研究小组已对这类智能型服装进行了两年的研究。

该研究小组通过将机织、手织和印花织物与新型导电材料融为一体,使表面看上去与传统服装没什么两样的衣服增添了智能。而且这种衣服还可以洗。

伊夫斯说:“按照我们的设想,要不了几年,电子服装将形成一个‘个人局域网’.人们将真的做到早晨一起床就给自己接通电源。”

24.有缘千里来相逢

你知道半导体为什么会和天线电结上缘呢?

半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。科学家在半导体材料中加入不同的物质,使它导电能力不同。又将导电能力不同的半导体组合起来,就可以制造各种类型的晶体管。

晶体管比电子管体积小,性能好,省电、又耐用,所以很快成了电子产品的主角,千里姻缘就这样一线牵了。

现在,半导体材料又更新换代了,大规模集成电路已发展到在米粒大小的半导体芯片上,集成了156000个晶体管,使得一台电脑只有手掌大。

25.信息先锋

信息科学的发展日新月异,而信息材料是实现高度信息化的必备武器。

首先是光纤通信的出现是信息传输的一场革命。光纤通信一个最为突出的特点就是信息容量大。例如一根13毫米粗包含有144条光纤的电缆,可以通过48000多路电话,比同轴电缆的容量大几千倍。此外,光纤通信还有质量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强等许多优点。

其次是敏感材料,敏感材料是材料中的“千里眼”与“顺风耳”,它们对光、电、热、声、磁等信号的变化反应很灵敏,是用来制造电子计算机和自动控制装置不可缺少的敏感元件。

敏感元件材料有陶瓷材料和半导体材料,以及高分子材料。目前,敏感材料正朝着高灵敏度和多功能化的方向发展。这就要求相应地采用新型的信息材料。例如多孔陶瓷材料,它既可以用作气敏元件,又可作为湿敏元件。

最新的智能化材料是兴电信息处理材料,它是用来进行兴学信息处理和运算的材料。

26.胡须强硬的秘诀

金属也能像人或动物一样长出胡须。不过要精心培育,而且它的胡须居然强硬到能吊起巨大的轮船。为什么呢?

在几万倍的放大镜下,人们发现金属“胡须”的表面非常光滑,而一般金属即使打磨得像镜子一样光洁,其表面也到处是坑坑洼洼、凹凸不平。此外,一般金属除“容貌”不美以外,其体内也是千疮百孔,有数不清的孔洞、裂痕等;而金属“胡须”则没有这些内部隐患。

现在我们知道金属“胡须”强度十分大的原因了,但它还有一个特点哪,那就是它越细,其抗拉力的强度就越大。

金属“胡须”虽然用处很大,但要在特殊的环境下才能培育出来。目前,科学家们已经掌握了几十种金属“胡须”的人工培育方法,而且比自然长出的“胡须”长十几倍。

27.铺好台阶高处走

随着科学与技术的发展,一些具有崭新概念的新材料比如智能材料、纳米材料还有梯度功能材料等纷纷涌现出来。

梯度功能材料是一种新概念意义上的材料,已经引起国内外材料界的极大兴趣。所谓梯度功能材料,是指由象金属和陶瓷、陶瓷和塑料这样不同性质的材料,不是通过通常复合的方式而是通过连续改变组成而形成的融合材料。由于在厚度方向上其组成逐渐地变化,从而使功能性质也发生梯度变化。造成梯度功能材料既不同于均质材料,也不同于一般的复合材料。一般的复合材料有界面,在界面上往往会有界面反应或发生热应力剥离等问题。梯度材料表面上看似与层压复合材料类似,材料的两面完全是不同的种类,但是材料内部由于组成、微结构和性能呈连续的渐变,因而不会出现上述复合材料的界面问题,所以它是材料科学领域绽开的一朵新葩。

28.随心所欲去设计

把不同的材料适当复合在一起,往往能产生比原来材料性能都要好的新材料。因而结构材料的复合化,成为21世纪新材料发展的一个重要趋势。

复合材料,顾名思义,就是由两种或两种以上组分材料组成的新材料。这种新材料既保持了原材料的特点,又使各组分之间取长补短互相协同,形成一种优于原有材料的特性。这种复合后的性能可以根据人们对材料性能的需要来安排,也就是说复合材料具有可设计性,这样就有可能最合理地满足对于材料的使用要求。复合材料已经在人类生活中起重要作用,例如,建造高楼大厦的钢筋混凝土,制造汽车轮胎所用的纤维增强橡胶等等。