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1、第三节 探索新材料我国在(20世纪80年代)超导研究中的一些成就20世纪80年代，世界科技领域的一件大事是发现了转变温度(材料电阻率突然降为零的温度)高于液氮(沸点为77K)温度的超导体。我国在高温超导技术研究方面，处于世界领先地位。我国于1986年底发现厂一种锶镧铜氧化物的转变温度为48.6K，又于1987年2月20日，中国科学院物理研究所的杨国桢、赵忠贤等发现了转变温度为100K的超导体，1987年3月10日，中国科技大学获得转变温度达130K的超导体。1989年又研制出零电阻温度高于132K的掺锑铋系材料，已被国际证实是零电阻温度的最高纪录。在高温超导的应用方面，1989年初，我国用高温
2、超导体制成了液氮温度下工作的超量子干涉器，可测量小于10-11T的磁场。还研制出在液氮温度下临界电流密度j。31010Am2的超导薄膜，并掌握了把高温超导薄膜微加工到尺度为2 10-7 m的图形技术，为发展大型高速计算机、医疗电子学微波技术打下了良好基础。20世纪90年代，高温超导研究必将取得更丰硕的成果，并将使高温超导体逐渐在经济建设和国防建设中得到广泛应用。(参见1990年1月l刚光明日报第三版和参考消息1990年1月10日)低温现象19世纪上半叶，以英国科学家法拉第(17911867)为代表的一批科学家利用同时增大压强和降低温度的方法，把几乎所有的气体都液化了。但是，对氧、氢、一氧化碳、
3、一氧化氮和甲烷等气体，把压强增加到标准大气压的3000倍，温度降低到一1000C，也没有把它们液化。难道这些气体是不能液化的吗?原来每种气体都有一个特定的温度。在这个温度以上，无论怎样增大压强，气体也不会液化。这个温度叫作临界温度。通常把处于临界温度以上的气态物质叫做气体，处于临界温度以下的气态物质叫做汽(或蒸气)。要使气体液化时，必须使它的温度降低到临界温度以下。由下表可知，各种物质的临界温度差别很大。氦的临界温度很低，为一2680c，即5K。1908年荷兰物理学家昂尼斯在莱顿大学的实验室里成功地实现了42K的低温，才液化了氦气，这是最后一个被液化的气体。他让氦气蒸发，还得到了1K左右的低温
4、。昂尼斯的成就为低温物理的研究和应用奠定了基础。几种物质的临界温度物 质临界温度toc物 质临界温度toc水374二氧化碳31酒精243氧一119乙醚194氮147氯144氢240氨132氦一2680K到120K为低温物理学研究的温度范围。在这个温度范围里，物质会表现出许多奇特的现象。例如，鲜嫩的花瓣变得像玻璃一样脆，弹性很好的橡胶制品会一敲就碎、铅皮制做的小铃能发出清脆的响声等等。除此之外，在极低温度下，物质还能呈现出更奇特的性质。超流动性 液体流动时，由于液体各部分之间以及液体跟器壁之间有摩擦力，通常液体很难通过很长的毛细管。例如，在4K时，把液氦盛放在中间用很细的管子连接的左侧容器中，液
5、氦不能流过毛细管，如图甲所示；但当温度降到2.172K时，液氦竟可以从连通器的左侧通过毛细管射向右侧的容器中，如图乙所示。科学家们还发现，这个温度下的液氦可以流过直径为0.00001cm(头发丝直径的1/10)的小孔。可以说，在2K的温度时，液氮没有过不去的孔。液体在极低温度下的这种性质，叫做超流动性。超导电性 金属的电阻随着温度的降低会减小，在温度接近绝对零度时，电阻会怎么样呢?1911年昂尼斯在测量低温下汞的电阻时发现：在42K时汞的电阻突然完全消失。这时汞中的电流，不需要外电压来维持，长期保持着，永不衰减。像低温下汞那样，电阻完全消失的导体，叫超导体。现在已经知道，元素周期表中约占半数的
6、金属元素以及相当多的化合物和合金，都能在一定的温度下转变成超导体。超导体具有的超导电性，对科学技术的发展有很大的意义。产生强磁场的电磁铁工作时，需要很大的电流，由于线圈电阻的作用，使得通电导线产热，把电能消耗掉。较大的电磁铁工作时，消耗的功率达几千瓦甚至更多。但是，如果用超导线圈，只需要一个40kW左右的电源，就可以发挥同样的作用，大大地节省了电能。目前，这种超导磁铁已应用在科学研究上。在输电线路上使用超导材料，大约可以节约1/4以上的电能。超导磁铁和磁铁之间能产生强大的磁力，使磁体上浮，就像两个磁体的同名磁极相对一样，如图甲所示；有电流的超导铅环能够托起超导铅球，如图乙所示。这表明超导体被磁
7、化后，变成磁性相反的物质，这种性质叫做抗磁性。人们利用超导体的抗磁性设计了磁悬浮列车，这种列车能悬浮在铁轨上空几厘米处，行车阻力小，无噪声、无污染、速度大，很受人们的赏识，目前超导磁悬浮列车的研究已处于实用性研究阶段。电流的超导区超导体的超导电性还可用在提高计算机的功能和速度上。如果将超导材料用在计算机上，可使计算机动作更快，比现在的速度快10100倍呢!然而，一般物质只有在极低温度下才能成为超导体。为了实现大规模地利用物质的超导电性，科学工作者们目前正致力于高温(100K以上)超导材料的研究。1987年2月，我国科学家在实验室获得了起转变温度为100K以上的超导体材料，1989年我国又发现了
8、零电阻温度为132K的超导材料。这表明，我国科学家在高温超导方面的研究工作已走在世界前纳米材料的基本单元纳米材料的基本单元可分为三类。纳米颗粒：指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等纳米管：指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。纳米膜：纳米尺度的薄膜材料。如超薄膜、多层膜、超晶格等。材料科学三大热点新材料技术、信息技术和生物技术构成了2l世纪高技术发展的三大支柱。在20世纪纳米材料横空出世，吸引了人们的目光。在21世纪，材料科学发展的热点领域有哪些呢?纳米材料纳米科技是世纪之交最引人注目的高科技领域。纳米科技将引发一场新的工业革命。有人认为，纳米技术是21世纪
9、经济增长的一个主要发动机，其作用可使微电子学在21世纪后半叶对世界的影响相形见绌。纳米科技不仅对信息和生物技术产生革命性的影响，而且也促使传统产业旧貌换新颜”。这是纳米概念在国内炒得沸沸扬扬的重要原因。目前，纳米技术已渗透到一些传统产业中，如染料、涂料、食品等。比如通过纳米材料的研究，在化纤制品中加入纳米微粒，可以除味、杀菌。通过纳米技术的应用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷次数由原1000多次提高到l万多次，老化时间也延长了两倍多。绿色材料21世纪人类对自己的居住环境越来越重视，环保意识日益增强，对环境材料的要求也是逐步提高。环境材料也称绿色材料。绿色材料的首要问题是资源和能源的有效利用。因为地球
10、表层可开采的矿产资源日益枯竭。化石燃料污染严重，应尽可能少用。为有效利用资源和能源，提高材料的性能是最有效的途径。目前，采用一种寿命循环分析法评价材料对环境的影响。通过对材料在生产使用中每一个阶段对环境所造成的影响进行分析，量化表达成为材料的“环境指数”，用它作为改进生产和合理利用的依据。智能材料所谓智慧材料，就是能随周围环境的改变而改变其性能的一种材料。利用它可以满足人类的特定要求，达到自诊断、自适应甚至自修复的目的，变色眼镜就是一例。“智能材料”是日本人1989年提出的，美国人称为“机敏材料”。实际上，具有这种性能的材料并不多。但人们可以将具有感知、信息处理、驱动功能的材料及操纵系统组合在
11、一起，中间用光纤把它们连接在一起，组成一个多功能系统。另外，有机功能高分子材料、低维材料、生物陶瓷材料、原位复合材料等也将有较快的发展。在新世纪，材料科学技术将和信息技术、新能源技术、生物技术、海洋技术及航天技术进一步交叉融合，共同发展。新材料介绍泡沫金属(如泡沫铝)泡沫塑料谁都知道，泡沫金属呢?知道的人恐怕就不多了因为这种构造呈泡沫状、密度小、强度高的新型材料正处在紧张有序的研制之中。泡沫金属材料技术是个崭新的开发领域，其中最具代表性的泡沫金属是泡沫铝，现已步入试用阶段。眼下，科学家又在抓紧研制各种泡沫钢材，如泡沫钢、泡沫不锈钢等。是什么缘故促成科学家对泡沫金属如此青睐呢?最初的起因来自汽车
12、工业。众所周知，汽车要减少油耗，提高车速，除强化发动机性能、改进车型设计外，还有一条重要途径降低车身自重，所以，最近10年来汽车制造业以塑代钢、以铝代钢的趋势有增无减。不过塑料易老化、脆性大，在车身上应用有限，铝也有缺点。铝制零部件内含多种合金杂质，汽车报废后的废铝不能像钢那样整体回炉熔炼。再考虑到制铝厂是严重的污染企业之一，使用铝材便同样受到限制。汽车制造商们不得不把目光重新放到钢材上来。尽管当前世界钢铁工业已能提供2500多种钢材，可仍然满足不了汽车工业的需要。于是，科学家从日常应用广泛的泡沫塑料中获得启发，想出利用泡沫金属生产汽车零部件的好办法。世纪交替之际，英、德、法、比利时等一些国家
13、的70多名科学家连手，共同制定了一项名为“马赛克”的计划，打算通过5年左右时间，推出系列超强度的、比普通结构要轻得多的泡沫金属，作为未来新概念汽车的材料。初战告捷！泡沫铝试制成功。然而，它的表面满是细微的孔洞，不适宜直接采用。这也难不倒科学家!德国的科学家建议，不妨将泡沫铝与钢材相结合，也就是内部用泡沫铝填满，外表再用超强金属皮包裹。该构思一经提出，立即得到众多专家的支持，并戏称为金属“鸡尾酒”法，对包括汽车制造在内的多个产业都将极具价值。如今，这种新型结构材料已在德国的不来梅研制出来。科学家先将铝粉和钛氢化物粉末充分混合，填进由超强钢皮制作的、与汽车零部件形状相同的模型内，再把充满混合物的模
14、型加热到铝的熔点；此时，氢气会从钛氢化物中逸出，使熔化的铝产生大小一致、密密麻麻的泡沫；待完全冷却后，即形成重量均匀、强度比铝更高、泡沫铝与钢之间有着牢固粘接的整体零部件结构。有理由相信，随着各国不懈努力，品种更多、性能更好的泡沫金属将一个接一个地走出试验室。它们不但会促成汽车的节油提速迈向新台阶，同时也会为所有使用金属的行业的节能降耗带来新的希望。为帮助学生完成作业第2题，特选下面设想内容的文章，供教师指导学生参考。“纳米技术”将使网络下载硬件成为可能最近，美国商业周刊刊登了一组文章，总题为21世纪的21种设想，其中第四篇与纳米技术有关，题为“分子机器并不是幻想只需问问五角大楼就知道了”。这
15、种设想的关键是纳米盒，但在2020年以前这一设想可能不会实现，不过有关技术已经取得了进展。全文如下。物质将成为软件。不是印错了，确实是“物质将成为软件”。其结果是，我们将不仅能够利用因特网下载软件，还能下载硬件。以上是迈特公司(Mitre)纳米技术权威詹姆斯埃伦博根作出的预测。该公司是五角大楼赞助的、设在弗吉尼亚州麦克莱思的一家研究中心。纳米是1m的10亿分之一，纳米技术是指制造体积不超过数百个纳米的物体，其宽度只有几十个原子聚集在一起的宽度。把自动组装生产装置缩小到如此规模，制造业受到的影响是相当明显的整个生产行业可能被彻底改造。它有可能在21世纪的头10年里从半导体生产开始，然后扩展到诸如
16、手机等小型产品的生产。埃伦博根对他提出的物质变软件的景象作了引人人胜的解释；“人们可以想一想当今下载软件是什么情形，以改变分子团磁性特征的方式重置磁盘的物质结构。如果计算机的内容不超过分子团的体积，就可以通过重新排列磁盘上的分子制造芯片。”埃伦博根说，研究人员已经忙于研制体积只有针头大小的计算机，“这种纳米计算机的各个部件比我们现今用于在磁盘驱动器装载信息的物理结构小得多。因此，在不久之后的某一天，我们将能够像今天下载软件一样从网络里下载硬件。”从物理意义上再生产一些硬件下载产品将需要新的磁盘驱动器。一种设想是用极为尖细的点束制造一种读写磁头，以某种方式刺激原子和分子。利用十年来在扫描隧道电子显微镜及相关技术方面取得的试验研究成果，分
