科學(xué)技術(shù)史-6.3新材料的研究與開發(fā)

Word文檔科學(xué)技術(shù)史-6.3新材料的研究與開發(fā)第三節(jié)新材料的討論與開發(fā)

材料、能源和信息是現(xiàn)代文明的三大支柱。材料領(lǐng)域的每一次變革都會(huì)引起社會(huì)的革新。材料的進(jìn)展，標(biāo)志著人類社會(huì)的歷史進(jìn)程。目前世界上的傳統(tǒng)材料已經(jīng)有幾十萬種，新材料在以每年5％的速度增長。新材料種類的增長來源于三個(gè)方面，即對傳統(tǒng)材料的改進(jìn)、基于基礎(chǔ)討論和應(yīng)用討論的新成果、依據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。這三種來源代表了三個(gè)不同的層次，說明人類熟悉世界和改造世界的活動(dòng)正在由必定王國向自由王國邁進(jìn)。近20年來，由于對新材料的需求日益增長，人們盼望盡可能地增加在材料研制中的理論預(yù)見性；同時(shí)，隨著固體物理、有機(jī)化學(xué)、量子化學(xué)、固體力學(xué)、冶金科學(xué)、微電子學(xué)、光電子學(xué)等學(xué)科的進(jìn)展，以及計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的進(jìn)展，使依據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)成為現(xiàn)代材料科學(xué)的一個(gè)方興未艾的基礎(chǔ)領(lǐng)域。

3.1信息功能材料

當(dāng)電子管發(fā)揮著巨大的效用之時(shí)，人們又發(fā)覺它有很多不足之處。由于電子設(shè)備越來越簡單，所用的電子管數(shù)量也越來越多(如一部雷達(dá)往往要用300～400個(gè)電子管)，電子管的工作要靠燈絲發(fā)熱，但燈絲的工作壽命一般只有幾千小時(shí)，部分電子管失效整機(jī)就不能工作，電子管的數(shù)量越多，因個(gè)別電子管損壞而造成整機(jī)故障的可能性就越大；大量電子管給電子設(shè)備的散熱造成麻煩；電子管數(shù)量越多電子設(shè)備也越笨重等等，這些問題都成了無線電電子技術(shù)連續(xù)進(jìn)展的障礙。半導(dǎo)體和晶體管技術(shù)正好彌補(bǔ)了這些缺陷，從而為無線電電子技術(shù)開拓了新的天地。

半導(dǎo)體技術(shù)的理論基礎(chǔ)是在討論固體物質(zhì)導(dǎo)電性能時(shí)建立的“能帶理論”。我們知道，原子中的電子分布在核外多層軌道上，最外層電子(價(jià)電子)受核的束縛最弱，這些電子一旦獲得足夠的能量，就可以越出原來的軌道以至于成為不受原子核束縛的自由電子。金屬導(dǎo)電力量之所以比較強(qiáng)，是由于它們的最外層電子比較簡單擺脫原子核的束縛而在金屬體內(nèi)自由活動(dòng)。絕緣體則是它的最外層電子不簡單擺脫原子核的束縛，致使其中的自由電子極少而難于導(dǎo)電。半導(dǎo)體處于上述兩種狀況的中間狀態(tài)。固體物質(zhì)里原子間的距離非?？拷?，它們的外層電子軌道會(huì)發(fā)生交疊，即這些電子不僅受到自身原子核的作用還受到相鄰原子原子核的作用，還會(huì)轉(zhuǎn)移到相鄰原子的軌道上去，形成電子的共有化運(yùn)動(dòng)。由于最外層電子的軌道交疊最多，所以價(jià)電子的共有化運(yùn)動(dòng)最為顯著。原子間價(jià)電子的共用就形成共價(jià)鍵。

在肯定的溫度下，從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子和價(jià)帶上所消失的空穴是不會(huì)越來越多的，由于無規(guī)章運(yùn)動(dòng)的電子不僅會(huì)由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，而且也會(huì)與價(jià)帶中的空穴相遇而使一對載流子消逝。所以對于肯定的溫度來說，它的導(dǎo)電性能是肯定的。固體能帶理論揭示了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，這就為晶體管的創(chuàng)造奠定了基礎(chǔ)。

3.2能源功能材料

功能材料的特點(diǎn)是超越了材料的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能，利用材料的光學(xué)、磁性等物理特征。人們已經(jīng)勝利地研制出100多種記憶合金，可以用力轉(zhuǎn)變合金的外形，但加熱后又可以恢復(fù)原來的外形。功能材料基本上是以金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料為基礎(chǔ)的，金屬功能材料包括外形記憶合金、新型鐵氧體、超細(xì)金屬隱身材料、儲(chǔ)氫材料、非晶體軟磁合金；陶瓷功能材料包括超導(dǎo)陶瓷、光學(xué)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、電容器陶瓷、敏感陶瓷等；功能高分子材料包括導(dǎo)電高分子、高分子、半導(dǎo)體、磁性高分子、液晶高分子等。

3.3納米材料科學(xué)技術(shù)

自從80年月中期掃描隧道顯微鏡消失后，納米技術(shù)開頭高速進(jìn)展。一般認(rèn)為，納米技術(shù)的進(jìn)展有兩個(gè)方向：一是由宏觀向微觀進(jìn)行，即用宏觀的方式將機(jī)器制造得越來越小，生產(chǎn)出各種微型、尖端的工具；二是由微觀向宏觀進(jìn)行，即直接操縱原子和分子，對它們進(jìn)行不同的排列組合，形成新的物質(zhì)，制造出具有新功能的機(jī)器。

由于微電子技術(shù)尤其是超大規(guī)模集成電路的進(jìn)展，納米技術(shù)由宏觀向微觀的討論已取得相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，各種微型機(jī)器不斷問世。1989年初，美國一家醫(yī)療中心的外科醫(yī)生在進(jìn)行手術(shù)時(shí)，勝利地將一個(gè)僅有針頭大小的心動(dòng)血壓敏感器附在病人跳動(dòng)的心肌上，而在這個(gè)小小的敏感器上竟裝著3個(gè)微電子傳感器。1991年，美國貝爾試驗(yàn)室研制出一個(gè)跳蚤型機(jī)器人，其中的硅質(zhì)齒輪和渦輪機(jī)細(xì)小得猶如灰塵粒，6萬臺(tái)這樣的渦輪機(jī)所占面積僅有1平方英寸，只有借助高倍電子顯微鏡才能看到它們的形狀和結(jié)構(gòu)。隨后，美國麻省理上學(xué)院又研制出一臺(tái)名叫摩西的微型機(jī)器人，雖然它僅有1立方英寸大小，卻能對各類刺激作出反應(yīng)，在小角落里爬行。90年月中期，日本電器公司的工程師制出了一輛長僅4.8毫米的微型轎車，其零部件完全采納集成電路技術(shù)制造?，F(xiàn)在，人們已經(jīng)能做出比襯衣紐扣還小的計(jì)算機(jī)、用肉眼幾乎看不見的機(jī)器人、只有頭發(fā)絲百分之一粗細(xì)的手術(shù)刀等。應(yīng)用納米技術(shù)，越來越多更微小的機(jī)器還將不斷消失。

和從宏觀走向微觀相比，納米技術(shù)從微觀向宏觀的討論起步較晚，但也取得了肯定成就。

1990年，美國國際商用機(jī)器公司的科學(xué)家用掃描隧道顯微鏡操縱原子，在鎳板上用35個(gè)原子排出了"IBM”字樣。英國科學(xué)家曾研制出一種大小約4納米的簡單分子，它具有開和關(guān)的特性，可由激光驅(qū)動(dòng)并讀出結(jié)果，其開關(guān)時(shí)間只有微微秒(10-12秒)，這為光計(jì)算機(jī)的研制供應(yīng)了可能。