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新材料与诺贝尔奖
江玉安
(江苏省泗洪中学  江苏  泗洪  223900)
材料开发与更新是科学研究的重要领域，是技术进步的关键指标。诺贝尔科学奖对新材料给予特别关注，及时奖赏与鼓励材料科学的发展进步。
1   陶瓷超导体
传统陶瓷是以天然粘土为主要原料，经过粉碎混合、成型干燥、烧结冷却制得的各种制品。陶瓷和翡翠、凤凰、鸳鸯一样是一个复合词，陶与瓷都是粘土制品，陶较粗糙，瓷则精致。陶与瓷的主要区别在于粘土品质和烧制温度的差别。
中国最早发现优质粘土——高岭土（组成可以表示为Al2O3·2SiO2·2H2O），又成功实现高温加热，于是主要在江西景德镇，烧制出中国好瓷。景德镇是以宋朝“景德”年号（1004—1007）命名的。为什么是中国最早发明了瓷器？可能的原因是，中国人喜欢光滑温润的玉，期望通过人工方法烧制出美玉的质地。
中国瓷器曾是风靡欧洲的奢侈品。18世纪初，德国贝特格和冯齐恩·豪斯一起研究烧制瓷器，他们在德累斯顿发现了优质高岭土，然后又成功实现1350℃的高温。1708年，他们终于生产出足以媲美中国瓷器的精瓷，这就是后来著名的“梅森”瓷。又过了50年，英国成功烧制出“骨瓷”。骨瓷原料中，牛羊骨粉的比例占30～50%。在瑞典首都斯德哥尔摩附近的Ytterby（于特比）岛，因开采粘土烧瓷而发现了特别的矿石，著名化学家加多林（J.Gadolin）对矿石进行处理，分离出此前不曾遇到过的“土”，这就是“稀土”及第一个稀土元素“钇”（Yttrium，元素符号为Y）的来历。
传统陶瓷主要是工艺，现代新型陶瓷才是科学。现代新型陶瓷或特种陶瓷所用的主要原料不再是天然粘土（混合物），而是采用纯净物（氧化铝、氮化硅、碳化硼等），制造工艺与性能要求都标准化。科学家研发的新型陶瓷具有强度高、耐高温、耐腐蚀，甚至具有声、光、热、电、磁等特异性能，用途极为广泛。如氧化铝陶瓷用于制造人工牙根、高压钠灯灯管等；氮化硅陶瓷用于制造轴承、汽轮机叶片等；稀土氧化物陶瓷用于制造超导体等。
1987年，诺贝尔物理奖颁发给IBM（设在瑞士苏黎世的美国公司）的德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒，以表彰他们“在发现陶瓷材料的超导性方面的突破”。他们在1986年发现La－Ba－Cu－O陶瓷材料的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。
2  硅半导体 
自然界没有天然的单质硅，但主要成分是二氧化硅的矿物却非常丰富，石英是最为典型的一类。在高温下，用焦炭还原石英得到粗硅；粗硅与氯气在高温下反应得到四氯化硅；四氯化硅在高温下与氢气、氧气反应可制成高纯硅；超纯的单晶硅可通过直拉法或区域熔炼法制成，其纯度可以高达99.999999999%。从沙滩到硅谷，硅半导体撑起了信息时代大厦。
1945年，美国贝尔实验室的肖克利研究用硅制造一种小型放大器，以替代电脑主机里的玻璃真空管。真空管可以放大电子信号，同时它只允许电流单向通过。肖克利首先想到的是硅半导体。肖克利研究两年硅放大器，没有成功，便转交给巴丁和布拉顿继续研究。
巴丁和布拉顿认为高纯的硅才适合做放大器，但当时的技术还难以制得高纯度的硅。他俩决定研究锗放大器。锗与硅是同一主族元素，也是半导体，导电性比硅好，应该是不错的选择。1947年12月，巴丁和布拉顿用锗制造出世界上第一个固态（区别于真空管）放大器，他们称之为晶体管[1]。1956年，因为“对半导体的研究和发现晶体管效应”，肖克利、布拉顿、巴丁三人共同获得了诺贝尔物理学奖。
1958年9月12日，美国工程师杰克·基尔比成功地实现了把电子器件集成在一块锗半导体材料上的构想。这一天，被视为集成电路的诞生日。过了40多年，杰克·基尔比才因为“发明集成电路”获得2000年诺贝尔物理学奖。杰克·基尔比荣获诺贝尔奖时，硅早已取代锗成为芯片的载体材料。2009年，美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯因“发明半导体图像传感器——电荷耦合器件”而与高锟一起获得了诺贝尔物理学奖。半导体的发明成果是诺贝尔奖大户。
在提纯技术被攻克后，硅就取代了锗。硅的矿物更多；硅单质的可掺杂特性更容易控制；硅的氧化物二氧化硅性能稳定，可以作为半导体器件中的绝缘膜使用；硅面容易实施氧化、光刻、扩散等工艺。
1954年，美国的贝尔实验室发现，在硅中掺入一定量的杂质对光更加敏感，第一个硅太阳能电池应运而生。如今，太阳能电池已经成为颇具规模的新兴产业。
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3  玻璃与光导纤维
玻璃最早是由埃及人发明的。公元前1370年左右，埃及已经开始大规模制造玻璃，方法是用钠碱（亚历山大里亚附近埃及湖中的碳酸钠）和碎石英在坩埚中共熔[2]。自然界中也有“天然”的玻璃，那是在沙漠中，陨石撞击或核弹爆炸产生高温后形成的。
绝大多数晶体都能不断重复融化和结晶的过程，但水晶或石英（主要成分是SiO2）却不是这样。水晶一旦熔化，冷却时就很难再形成结晶，而是形成凝固的液体，这就是玻璃态，也就是玻璃。玻璃的核心成料成分是二氧化硅，SiO2的熔点是1723℃。纯碱与石灰石具有助熔作用，能在1450℃促进形成玻璃液，也是普通玻璃的主要原料。玻璃工艺的核心就是从不透明到透明，从透明到特定颜色、特种性质等。从化学角度理解，就是原料由除杂到掺杂，改善微观结构等。
普通玻璃由于原料不纯而不太透明，常见的暗绿色、浅棕色由杂质氧化亚铁、氧化铁等引起。要制造无色的玻璃，要么是把原料中杂质除去，要么研究添加其他物质来“混和”。怎样消除玻璃中的绿色呢？化学的办法是：往玻璃熔浆里加进一定比例的二氧化锰。二氧化锰把绿色的亚铁离子氧化成黄色的铁离子，二氧化锰本身可使玻璃呈紫色，黄色和紫色正好可以混和成白色，这样玻璃就变成无色透明的了。如果在玻璃原料中添加Co2O3，玻璃呈蓝色；添加Cu2O，玻璃呈红色；添加CaF2，玻璃呈乳白色等。在玻璃中加入适量的溴化银和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃；将玻璃加热到一定温度后急剧冷却，就可以得到钢化玻璃；如果在钢化玻璃之间加上塑料夹层，就可以制成“防弹玻璃”，夹层越多，防弹效果就越好。如果用分子量较大的PbO代替石灰石，K2CO3代替纯碱，就可以制造出光学玻璃；如果用大量硼酸盐替代纯碱，就可以制成耐热玻璃。石英玻璃也是耐热玻璃。
1960年代初，激光已经发明，华人物理学家高锟大胆假设：激光必将在光通讯中大有作为，并认定玻璃是最可用的透光材料。高锟认为，如果能大幅降低石英原料中铁、铜、锰等杂质，制造出“纯净玻璃”（SiO2），信号传送的损耗就会减至最低。1966年，高锟提出玻璃纤维（光导纤维，简称光纤）可以用作通信媒介，并发表论文《光频率的介质纤维表面波导》。高锟论文发表之日，即被后世视为光纤通讯诞生之时。高锟被称为“光纤之父”，因“在光通信领域或光在纤维中的传输方面的突破性成就”，获得了2009年诺贝尔物理学奖。
4  碳材料与富勒烯石墨烯
碳的常见单质有金刚石、石墨、富勒烯。金刚石、石墨是天然资源；富勒烯是在科学研究中发现的；金刚石也可以人工制造。
金刚石是正四面体空间网状结构的原子晶体，是自然界中最硬的物质，能透光色散而产生璀璨的光芒，也是化学性质非常稳定的物质。以天然金刚石原料经过雕刻打磨制成的钻石首饰是最受欢迎的“真爱”象征，也是完美宝石的代表。俗语“没有金刚钻，不揽瓷器活”也突出了金刚石的超强硬度。
石墨是正六边形平面网状结构的层状固体，层内的共价键很强，层间的范德华力很弱。由于层内每个碳原子还有一个自由电子，所以石墨不但有金属光泽而且能够导电，因此常用作电极材料；石墨硬度小，刻画后能留下黑色印迹，因此常用来制作铅笔，也常用作润滑剂；比起金刚石，石墨原子间的共价键键长更短，也更牢固，因此石墨是比金刚石更稳定的单质，熔点也更高，达到3652℃。把石墨纺成细丝使用，可以得到超强材料碳纤维。碳纤维“外柔内刚”质量比铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀的特性。碳纤维复合材料主要应用于飞机、导弹、火箭、卫星等航空航天材料，以及钓鱼杆、球杆、球拍、义肢等体育用品材料。
1772年，拉瓦锡用透镜聚光，以加热空气中的金刚石，发现金刚石能像石墨一样燃烧起来，并完全变成气体；拉瓦锡又用透镜加热真空中的金刚石，发现金刚石变成了石墨[3]。
1985年9月4日，英国化学家克罗托与美国莱斯大学的科尔、斯莫利用激光加热氦气流中的石墨棒使其蒸发，再将蒸气通过细孔进入真空管中冷却，得到了一种新型的碳单质C60。C60分子中的60个碳原子排列成球形，而建筑师富勒正好设计过类似结构的球状网格建筑（1967年蒙特利尔世博会美国馆），受此启发，也为了向建筑学家富勒表达敬意，C60被命名为富勒烯，也称足球烯、巴基球。1996年，克罗托与科尔、斯莫利因“发现富勒烯（指以C60为代表的一系列球状、椭球状或管状结构的碳单质）”而共同获得诺贝尔化学奖。富勒烯的发现与研究为纳米材料开辟了新天地。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法（如使用普通胶带多次剥离）成功从石墨中分离出单层石墨。2010年，他俩因“二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得诺贝尔物理学奖。他们获奖倒不是因为做出单层石墨，而是发现单层石墨的性质非常特别，是一种新型材料，于是命名为石墨烯。石墨烯可以用来生产透明触摸屏、灯光板、甚至是太阳能电池，还有可能取代硅芯片成为所有数字运算和通信、发电的核心。
5  熟铁与高压设备
铁在很长的历史时期内都是最重要的金属材料。将铁矿石与还原剂焦炭混合在一起加热，就可以将铁还原出来。炼铁反应制得的铁因为混有较多的碳而称为生铁。将生铁熔化后通入氧气吹炼，除去生铁中过多的碳，就可以得到钢和熟铁。
含碳2%～4%的铁合金叫生铁，又叫铸铁。生铁比较脆，经不起震动，也没有耐拉力，因此只能铸造一些不受较大压力或震动的普通机件，如火炉、铁管、铁锅等。生铁主要用来炼钢。含碳0.3%～2%的铁称为钢。钢硬而韧，性能最为优良。含碳低于0.3%的铁是熟铁。熟铁富有延展性，容易弯曲而不会折断。
庄稼一枝花，全靠肥当家。氮肥是促进作物生长的主要养分。农家肥及含氮的矿物（如硝石，KNO3）远远不能满足农业生产的需要。如何把空气中的氮气变成作物可吸收的氮肥呢？德国化学家哈伯研究发现，在通常条件下，氢气和氮气虽然能够发生反应，但生成的氨很少。要想提高产量和效益，他认为必须采取三点措施：一是采用高压条件，提高反应转化率，生成更多的氨；二是选择有效的催化剂，加快反应速率；三是不断地把产品氨液化，以便从反应器中分离出来，使反应持续进行。哈伯采用的反应条件是：200atm左右的高压、金属锇催化剂、超过500℃的高温，转化率达到了6%。1909年7月，哈伯申请了合成氨专利权。德国巴登苯胺和纯碱制造公司立即购买了哈伯的专利，开始试验工业化大规模生产氨。
设计耐受200 atm高压和500℃高温的反应器，是工业化的最大挑战。这一最大困难是由德国化工专家波施（1874~1940年）攻克的。一开始，波施用钢制造反应器，钢硬而韧，是当时强度最大的金属材料。虽然波施设计的反应器钢壁厚度达到3厘米，但只使用了三天，钢板就破裂了，原来是氢气经过高压渗透到钢里，和其中的碳反应生成了甲烷气体，钢的组织受到破坏。波施想，如果在钢壁的内部用熟铁做衬里，也许能解决问题。因为熟铁含碳少，难以被氢气腐蚀；熟铁很软，用熟铁做钢壁的衬里，就像人戴上了口罩，很大程度上减轻了高压氢气的冲击作用。最终，耐高温高压的反应器制成了，一向被化工工程师看成非常可怕的高温高压反应，被波施彻底征服了[4]。没什么大用的熟铁总算是完成了一次逆袭。
1931年波施因“研究化学上应用的高压方法”而获得诺贝尔化学奖。这距离哈伯获得诺贝尔化学奖（1918年，发明工业合成氨方法）已经过去了13年。波施和他的助手还进行了6500次试验，选用了2500种配方，找到了价格便宜的铁基催化剂，替代了哈伯所用的价格昂贵的锇基催化剂。
6  有机高分子材料
棉、麻，丝、毛都是天然纤维，主要成分分别为纤维素和蛋白质。将纤维交织铺陈，可以造纸、织布、编毯、织锦。造纸是我国的四大发明之一，丝绸之路的原点与故乡在中国。
松香、虫胶等天然树脂受热后软化熔化，和玻璃类似，是具有可塑性的材料。在橡胶树流出的胶乳中，加入醋酸，可析出橡胶块，这种块状的橡胶既有弹性又有可塑性。
天然有机材料的性能有局限性，化学家不但改造天然有机材料，而且还用小分子物质合成了高分子材料，创造出更加美好的新型有机材料。真是巧夺天工！
早期的橡胶制品存在着遇热发粘难闻，遇冷硬脆断裂等缺点。1844年，美国工程师古德意受到炼钢渗碳的启发，发明了橡胶的硫化技术，并生产出了高质量的橡胶。
1846年，瑞士化学家C.F.舍恩拜用纤维素（棉花）与浓硝酸和浓硫酸的混酸反应制得了硝酸纤维素，也叫硝酸纤维或硝化纤维。将硝酸纤维素溶解在乙醇和乙醚的混合溶液中，然后通过细孔吐出凝结，成为“人造丝”。1869年，美国化学家J.W.海厄特将硝酸纤维素与樟脑和酒精混合，制成了赛璐珞（Celluloid），其中樟脑是增塑剂。赛璐珞是第一种商用塑料，最早用来作为象牙的替代品制作台球，也曾用来制作摄影胶卷、电影胶片（后被醋酸纤维素取代）。现在，赛璐珞更多用来制作乒乓球和眼镜架等。
1872年，德国化学家拜耳（A. Baeyer）首先发现苯酚与甲醛在酸的存在下可以缩聚得到无定形棕红色产物——酚醛树脂。1909年，美国科学家贝克兰德（Baekeland）实现了酚醛树脂的产业化。酚醛树脂也称“电木”，是第一种合成高分子塑料。
1920年，德国化学家施陶丁格提出高分子及聚合反应的概念，并确立了聚苯乙烯、聚甲醛、天然橡胶的长链结构式。1953 年，施陶丁格因“在高分子化学领域的研究发现”，获得了诺贝尔化学奖。高分子及聚合反应的概念促进了有机合成材料的发展，化学家先后发明了尼龙、涤纶、腈纶等合成纤维，聚氯乙烯、聚苯乙烯、有机玻璃等塑料，氯丁橡胶、丁苯橡胶等合成橡胶。
1963年，德国化学家卡尔·齐格勒和居里奥·纳塔因“在高聚物的化学性质和技术领域中的研究发现”获得诺贝尔化学奖。他俩曾各自独立地合成出聚乙烯和聚丙烯。
1974年，美国化学家保罗·弗洛里因“高分子物理化学的理论与实验两个方面的基础研究”获得了诺贝尔奖。他提出了提出了聚酯动力学和连锁聚合反应的机理。
2000年，美国化学家艾伦·黑格、麦克德尔米德和日本化学家白川英树因“发现和发展了导电聚合物”（聚乙炔导体），共同获得诺贝尔化学奖。
参 考 文 献
[1] 山姆·基恩.元素的盛宴．南宁：接力出版社，2015：26
[2] J.R.柏廷顿.化学简史．北京：中国人民大学出版社，2010：8
[3] 马克·米奥多尼克.迷人的材料．北京：北京联合出版公司，2015：183
[4] 应礼文.科学的发现．北京：中国少年儿童出版社，2000：183
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