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1、化学诠释美好生活葛洲坝中学 李其富摘要：“化学诠释美好生活”的主题诠释:通过化学视角，去观察自然界、社会生产和生活中各类有关的化学问题。只有这样，我们才能利用所学的知识原理去分析、解释周围的现象问题，才能应用新信息去解决未直接接触的化学问题，才能体现出人与自然、社会协调发展的现代意识。一、新材料美化我们的生活材料、能源和信息是当今国际社会公认的人类现代化文明的三大支柱。纵观人类发展的历史，可以清楚地看到，材料是人类进行生产斗争最根本的物质基础。每一种重要的新材料的发现和应用，都可以把人类与自然斗争的能力提高到一个新的水平。每一项重大的新技术的创造与发明，往往都有赖于新材料的发展。反之，材料科学
2、技术的每一次重大突破，都会引起一场生产技术的革命，从而大大加速社会发展的进程，并给社会生产和人类生活带来巨大的变化。远的不说，仅此电子计算机为例，由于大规模集成电路的产生，现在的一台微型计算机的功能与世界第一台的电子管计算机相当，但是重量仅为原来的六万分之一，体积仅为原来的三十万分之一，而运算速度却提高了几百倍。材料，通常是指人类能用来制作有用物件的物质。所谓新材料，主要是指最近发展起来或正在发展之中的比传统材料具有更为优异性能的一类材料。目前世界上的传统材料已有近百万种，而新材料的品种正以每年大约5%的速度增长。由于世界上现有1300多万种人工合成的化合物（其中绝大多数是有机化合物），而且还
3、以每种约25万种的速度递增，其中的相当一部分具有发展成为新材料的潜力。因此，新材料（尤其是有机高分子新材料）的发展速度很快，并且具有极为美好的发展前景。能源、材料、信息是现代科技的三大支柱，而材料是发展工程、信息、新能源等高科技的重要物质基础，是当代前沿科学技术领域之一。材料主要包括金属材料、无机非金属材料和高分子材料在内的各种化学物质，必须具有光、电、声、磁、热等特殊功能或复合多功能的新型材料。同时也从传统的三维块状材料向二维的薄膜材料、一维材料和准零维的超细颗粒材料发展。形状记忆合金“永不忘本”的神奇功能材料金属是一类古老的材料。早在6000多年前，人类就发现并使用了金属铜。到公元前五世纪
4、，中国已经大量炼铁和使用铁器。提及一般的金属材料，如金、银、铜、铁、铝等等，人们大都耳熟能详，如数家珍。但是，您听说过有“记忆”本领的金属材料形状记忆合金吗？传统观念认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。难道合金也会和人一样具有记忆能力吗？答案是肯定的，形状记忆合金就是这样一类具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。1963年，美国海军军械研究室在一项试验中需要一些镍钛合金丝，他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。为了使用方便，于是就将这些弯弯曲曲的细丝一根根地拉直后使用。在后续试验中一种奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般
5、地迅速恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且和原来的形状丝毫不差。再反复多次试验，每次结果都完全一致，被拉直的合金丝只要达到一定温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。就好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百，即恢复到和原来一模一样的形状，更可贵之处在于这种“记忆”本领即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂。因此，形状记忆合金享有“永不忘本”、“百折不挠”等美誉，被比作一个人应具有的永不变节、坚贞不屈的精神和气节。
6、人们常说蚂蚁有本事，是因为即使是当今奥运会举重冠军也不过仅能举起自身重量的2倍左右，而蚂蚁却能举起自重的20倍。但是若与形状记忆合金相比，蚂蚁就只能甘拜下风，自愧不如了，因为形状记忆合金（以镍钛为例）的出力本领可达自重的100倍以上。可见，形状记忆合金才是名副其实的大力士。二十世纪中叶，美国和前苏联在空间领域展开激烈竞争。继1961年4月12日前苏联将首位宇航员加加林送入太空轨道后不久，美国就制定了雄心勃勃的“阿波罗”登月计划。人类踏上月球，就必须要将月球上的信息传输回地球，再将地球上科学家的指令发到月球的难题，即实现月、地之间的信息沟通。要发送和接收信息就必须在月球表面安放一个庞大的抛物线天
7、线，可是在小小的登月舱内无论如何也放不下这个庞然大物。这在当时一度成为登月工程中的关键性技术难题之一。形状记忆合金的发现给这个难题的解决带来了契机，也为这个金属材料领域内的“晚辈”提供了一次施展才华的绝好机会。科学家用当时刚刚发现不久的形状记忆合金丝制成抛物线天线。在宇宙飞船发射之前，首先将抛物面天线折叠成一个小球，这样很容易就能装进宇宙飞船上的登月舱内。当登月舱在月球上成功着陆后，只需利用太阳的辐射能对小球加温，折叠成球形的天线因具有形状“记忆”功能便会自然展开，恢复到原始的抛物面形状。1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，谛
8、听着这位勇士从月宫里传回的富于哲理的声音：“对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步”。阿姆斯特朗当时的图像和声音就是通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面的。形状记忆合金在现代临床医疗领域内也获得广泛应用，正扮演着不可替代的重要角色。例如，人体腔内支架、心脏修补器、血栓过滤器、口腔正畸器、人造骨骼、伤骨固定加压器、脊柱矫形棒、栓塞器、节育环、医用介入导丝和手术缝合线等等，都可以用形状记忆合金制成。记忆合金支架经过预压缩变形后，能够经很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、胆道、前列腺腔道以及尿道等各种狭窄部位。支架扩展后形成记忆合金骨架，在人体腔内支撑起狭小的腔
9、道，这样就能起到很好的治疗效果。与传统的治疗方法相比，这种记忆合金支架具有疗效可靠、使用方便、可大大缩短治疗时间和减少费用等优点，为外伤、肿瘤以及其它疾病所致的血管、喉、气管、食道、胆道、前列腺腔道狭窄治疗开辟了新的天地。除了腔内支架方面的应用以外，在骨外科治疗领域，形状记忆合金同样具有不凡的表现。众所周知，传统的骨伤手术器械包括接骨钢板、螺钉、螺母、钢丝等，手术时医生要进行钻孔、楔入、捆扎等复杂操作，对患者的机体不可避免要造成人为损伤。这种手术有时要进行四、五个小时，病人的长时间麻醉对手术伤口的愈合也十分不利。这种手术效果也不理想，用机械、刚性办法固定的器械在人体内容易发生弯曲、断裂、松动和
10、腐蚀，有些患者要接受两次甚至多次手术。与传统的不锈钢器械相比，应用形状记忆合金制成的记忆合金骨科内固定器械，可以使骨科手术开始告别钻孔、楔入、捆扎等复杂工序。手术时，医生先用低温（05摄氏度）消毒盐水冷却记忆合金器械，然后根据需要改变其抱合部位的形状，安装于患者骨伤部位。待患者体温将其“加热”到设定的温度时，器械的变形部分便恢复到原来设计的形状，从而将伤骨紧紧抱合，起到固定与支撑的作用。这种新技术与传统的骨伤内固定术相比，大大降低了手术的难度，并可使手术时间缩短三分之二。由于材料自身的记忆功能十分稳定，良好的“抱合力”使病人手术的愈合期也大大缩短。记忆合金同我们的日常生活也休戚相关。仅以记忆合
11、金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。形状记忆合金还可以用作消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。作为一类新兴的功能材料，形状记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用形状记忆合金制作的移动电话天线、以及牙刷等。记忆合金还可以制成任意变形的眼镜架，如果不小
12、心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。形状记忆合金一面世，就为航空工业立了一功。美国F14型飞机的液压系统中，平均每架要用800个形状记忆合金接头。自1970年以来，美国海军飞机上使用了几十万个这样的管接头，没出现过一次失效的记录。用形状记忆合金做管接头的办法是：先在转变温度以上，把镍钛合金管接头按密封要求尺寸进行加工，使它的内径比所要连接管子的外径小4；然后，在液氮低温下将管接头直径扩大，使它的内径比所要连接管子的外径稍大（4），并把两根要连接的管子从两端对准插入接头；最后，当管子处于工作状态，温度回升到转变温度以上，镍钛合金发挥形状记忆效应，管接头自动收缩，管径变细，恢复到
13、第一次加工的尺寸，它就把两根管子紧紧地连到一起。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果碰瘪了，只要用电吹风加温就可恢复原状，既省钱又省力，实在方便。为航空航天保驾护航的超高温陶瓷材料在航空航天领域，科学家正在不断地研制飞行速度更快、更安全的飞行器，以满足乘坐飞机的旅客对快捷、舒适的旅行生活的追求和人类对探索宇宙神秘世界的要求。1961年4月12日，前苏联飞行员加加林乘坐东方一号宇宙飞船完成了他的太空之旅，由此标志着载人航天飞行的开始。在人类载人航天史上，伴随着运载火箭和航天飞机发射成功时那一次次憾人心魄的壮丽腾飞景象，也有在飞行器凌空爆炸时令人痛心的镜头。其中，2003年2月1日，美
14、国航天飞机“哥伦比亚”号的爆炸惨剧，要算是人类载人航天史上最为惨重的飞行事故。“哥伦比亚”号是在返回大气层的过程中，发生解体而造成机上七名宇航员全部遇难。事后，经过调查发现航天飞机失事的主要原因在于航天飞机左翼上的阻热材料失效。飞机起飞时，外部燃料箱附着点附近的物体脱落，击中了航天飞机左侧机翼的底部，导致机翼上的阻热材料产生裂纹，当航天飞机返回地球时，由于穿过大气层时因摩擦产生很高的热量，造成阻热材料上的裂纹扩展，使高温热气体渗透到机翼内部，造成左翼温度迅速升高，最终导致航天飞机爆炸解体。这项研究工作目前正在美国密苏里大学罗拉分校开展，据主持该研究的教授介绍，他们研究的目的在于开发出熔点高于3
15、000oC的超高温陶瓷材料，这一类材料主要包括ZrB2、HfB2等，以及它们的复合材料，可以作为航天飞机的新型阻热材料。我们相信，随着各种高性能的超高温陶瓷的发明，“哥伦比亚”号的悲剧将不会再次重演。除了作为航天飞机的阻热材料，超高温陶瓷在航空航天领域的应用还包括作为超音速飞机的耐热保护材料、火箭和各种高速飞行器的燃料喷嘴。飞机在超音速飞行时会与空气发生摩擦，并产生很高的温度，超高温陶瓷具有良好的耐热能力，可以避免高温对飞机内部结构产生破坏。火箭要克服地球引力获得高速飞行，必须具有强大的推进能力，所以在燃料喷嘴部位必然存在极高的燃烧温度，而一般的材料难以满足这种应用需求，这正是超高温陶瓷的用武
16、之地。目前，全世界正在兴起一轮研究超高温陶瓷的热潮，随着一批高性能材料的应用，在航空航天领域将引发新的革命。作为航空航天飞行器上的关键材料，超高温陶瓷将扮演着保驾护航者的角色帮助人们不断突破速度和空间上的极限。绚丽多彩的碳材料碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命体最重要的元素。以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向之一。而以碳元素本身，通过不同结构、组合，也形成一个独特的无机非金属材料世界。碳原子间不仅能够以sp3杂化轨道形成单键，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，因此，除了自然界存在多种同素异形体的碳材料外，科学家们通过实验还合成了许许多多结构和性质完全不同的碳材料，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及近年来发现的卡宾、C60为代表的富勒烯以及碳纳米粉体、管材、线材等。这些新型碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光全透光、绝缘体高导体、绝热良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。一
