书城科普世界科技史速读
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第4章 数理化工大发明(1)

压力锅

17世纪末,法国国王亨利四世疯狂迫害新教徒。为了逃离厄运,年轻的帕平跑到瑞士避难。他沿着阿尔卑斯山艰难跋涉,一路上风餐露宿,渴了找点儿山泉喝,饿了煮点儿土豆吃。

有一天,帕平走到一座山峰附近,他觉得饿了,于是找了一些干树枝,架起篝火,煮起土豆来。水一直滚滚开着,土豆在里面煮了很久却依然煮不熟。为了填饱肚子,他无可奈何地把没煮熟的土豆硬吃了下去。这个偶然的事件留给他深刻的印象。

在国内时,帕平曾进行过蒸汽发动机、蒸汽锅炉方面的研究,在异国他乡的大环境中,他仍然没有放弃自己的研究,正因为如此,才引发了他对压力锅的发明。

几年后,帕平的生活有了转机,他来到英国一家科研单位工作。阿尔卑斯山上的往事令他记忆犹新,他决心寻找到其中的秘密。帕平找来许多参考书,测算了山的高度。一连串的问题在他脑子里翻滚:物理学上的什么定律能够解释这个现象?大气压与水的沸点有什么关系?经过深入的研究,帕平终于有了合理的解释:大气压与水的沸点之间为正比例关系,大气压高时,水的沸点也高;大气压低时,水的沸点也低。高山上的大气稀薄,气压低,水的沸点也低,虽然水开了,但热力不足,所以土豆很长时间也煮不熟。

在此基础上,他进一步联想到:如果用人工的办法让气压加大,水的沸点就不会像在平地上只是摄氏100度,而是会更高些,煮东西所花的时间或许会更少。为了提高气压,缩短烹煮时间,帕平自己动手做了一个密闭容器,里面装了一些水,他想用外面不断加热的方法,让容器内的水蒸气不断增加,又不会散失,以达到使容器内的气压增大、水的沸点增高的目的。可是,当他睁大眼睛盯着加热容器的时候,容器内发出咚咚的声响。帕平吓坏了,只好暂时停止试验。

两年后,帕平按自己的新想法绘制了一张密闭锅图纸,请技师帮着制作。另外,帕平又在锅体和锅盖之间加了一个橡皮垫,锅盖上方钻了个孔,通过改造,锅边漏气和锅内发声的问题就得到了彻底地解决。帕平把土豆放入锅内,点火,冒气,10多分钟之后,土豆就煮烂了。

然而,他并不满足,又先后煮鸡、煮排骨等肉质食品,在这些成功的试验的基础上,1681年,帕平造出了世界上第一只压力锅——当时叫做“帕平锅”。他邀请英国皇家学会的会员们前来参加午餐会,实际上是对压力锅进行鉴定。厨师当着众多科学家的面,把9只活蹦乱跳的鸡宰了,塞进压力锅里,然后架到火炉上。那些高傲、挑剔的专家们一杯茶还没有喝完,一盘盘热气腾腾、香味扑鼻的清蒸鸡上桌了。不仅鸡肉全烂熟了,而且连鸡骨头也软了。事实折服了在场的所有人。从此,帕平的压力锅就名扬四方了。

化肥

自幼酷爱化学的李比希在15岁时便离开了学校。18岁那年,他终于认识到,要想成为一名化学家,就必须有扎实的知识基础,这才进入了大学学习化学。

在埃尔兰根大学获得博士学位后,李比希回到家乡,并在一所大学教书。在那里,他开创性地建立了学生普通实验室,并以极大的热情投入到了有机化学这个新领域中。

李比希任教的学校紧挨着的一大片农田逐年减产,农民们便找到李比希,希望他能研制出一种东西,可以给土地增加营养。在翻阅了大量的资料后,李比希发现东方古老的中国、印度等地的农民为了使庄稼丰收,不断地给土地施用人畜粪便。李比希猜想,粪便中可能含有使土壤肥沃的成分,使庄稼吸收到生长所需的物质。有没有一种东西具有粪便的功能,使庄稼增产呢?

“耕地到底缺乏什么?”李比希为了找到答案,开始在自己的实验室中工作。他发现氮、氢、氧这3种元素是植物生长不可缺少的物质,而且钾、石灰、磷等物质对植物的生长发育有一定的促进作用。在做了大量的实验后,李比希开始把研制出含有无机盐和矿物质的人工合成肥料作为自己的目标。

1840年的一天,李比希研制出了世界上第一批钾肥和磷肥。他小心地将这洁白的无机化肥施在试验田里,可是,一场大雨却将化肥晶体渗入到土壤深层,而庄稼的根部却大多分布在土壤浅层。收获季节到了,庄稼没有丝毫增产的迹象。

下来的工作就是将这些化肥晶体变成难溶于水的物质。于是,李比希又开始了新的探索。这一回,李比希把钾、磷酸晶体合成为难溶于水的盐类,并且加入了少量的氨,使这种盐类成为含有氮、磷、钾3种元素的白色晶体。

这一次,他们选择在一块贫瘠的土地上进行试验。过了一段时间,农民们惊奇地发现那块被废弃的“不毛之地”竟长出了绿油油的庄稼。令人惊奇的是,这些施过白色晶体的庄稼竟然比农民们良田里的庄稼更为茁壮。

成功的消息像插上翅膀一样传开了,李比希成为农民们敬仰的人,“李比希化肥”被广泛应用于农业生产中。无论过去、现在、还是可以预见的将来,再也找不到任何一门其他工业比化肥工业更直接关系到国计民生了……

人造染料

1853年,年仅15岁的珀金已经是英国皇家化学学院实验室的助手。当时疟疾流行,而治疗疟疾的特效药奎宁是从金鸡纳树中提取出来的,相当珍贵。珀金在老师霍夫曼的指导下,试图从煤焦油中提取奎宁。可是实验结果不尽如人意,并没有珀金所期望的奎宁产生,只是得到了一种棕红色的沉淀物。珀金并没有因此气馁,于是他决定改用另一种新的物质。出乎意料的是,改换物质的结果竟然得到了一种更为意外的黑色沉淀物。

为了弄清原因,他就用酒精来洗这种黑糊糊的东西,没想到,那些黑色物质竟溶解到酒精里,变成鲜艳夺目的紫色,珀金为这样的发现又惊又喜,他立刻意识到,自己或许发现了一种可用作染色的物质。于是,他用这种溶液将一条素白色的围巾染成了紫色,晾干后又放在热水里用肥皂搓洗,竟然没有褪色。

欣喜若狂的珀金立刻给一家纺织工厂寄去了一些样品,结果是紫色化合物的性能良好。珀金立刻于1856年8月申请了此项技术的专利。1857年,他又在哈罗附近建立了生产苯胺紫染料的工厂,成为合成染料工业的开拓者。

珀金发明的这种紫色的碱性染料不仅适于染毛织品,而且还可与鞣酸合用染棉织品;这种带有华贵色彩的染料不仅令太太女士们着迷,尤为重要的是,它还受到了维多利亚女王的青睐;另外,苯胺紫染料还被用在邮票的印刷上。

珀金发明的苯胺紫染料使很多有志于研制合成染料的科学家们充满了信心。在珀金这一惊人成就的鼓舞下,许多化学家都纷纷转移到合成染料的开发上来,以后人们有意识地去探求各种染料的分子结构,有意识地进行人工合成实验,人造染料纷纷问世。

染料工业发展到今天,不仅有给纺织品染色的染料,还有专门用于生物学和医学研究用的染料,有液晶染料、激光染料、变色染料、感光染料、半导体染料等,在尖端科学和工业、农业生产中都有广泛的应用。现在,我们这个五彩缤纷的世界几乎是由人工合成的染料一统天下,天然染料则早已退出了历史舞台。

塑料

最初塑料的产生是英国伯明翰的化学家亚历山大·帕克斯在暗房里实验的结果。帕克斯不仅是一位化学家,同时也是一名摄影爱好者。在照片后期制作中,常常会用到一种叫“胶棉”的溶液。1862年的一天,他在试验处理胶棉的几种方法时,试着把胶棉与樟脑混合,结果竟产生了一种可以弯曲的硬材料,帕克斯将其取名为“帕克辛”,并在这一年将它带到伦敦国际博览会中去展出。后来,帕克斯用“帕克辛”制成梳子、笔、纽扣等,并设立公司生产塑料。最终因他缺少商业意识而破产,但其成果被后人借鉴,制成了最早的塑料——“赛璐珞”。

“赛璐珞”的发明最初是为了娱乐而不是为了工业生产的需求,这一点似乎颇具戏剧色彩。1868年,一家制造台球的公司抱怨象牙短缺,出资1万美元征求象牙的最好替代品。这种替代品必须满足台球有关硬度、弹性、抗热、防潮和没有纹理等方面的要求。来自美国纽约市奥尔班尼的印刷工约翰·韦斯利·海亚特看准了这个机会。他改进了帕克斯的制造工艺,于1869年用一种他称之为“赛璐珞”(意为假象牙)的物质造出了廉价的台球。

“赛璐珞”是第一种用化学方法制成的塑料。海亚特从台球制造商那里得到了一个现成的市场,后来,他又用“赛璐珞”制成各种日用产品:义齿、刀柄、镜框等。也正是用“赛璐珞”,人们造出了第一种实用的照相底片,后来“赛璐珞”塑料几乎成为电影工业的同义词。

但是早期的塑料容易着火,这大大限制了用它制造产品的范围。而第一个真正意义上的塑料——全合成塑料是在1909年由利奥·贝克兰用苯酚和甲醛制成的酚醛塑料,这是一种性能良好的耐高温的塑料。

1904年,美国的化学家利奥·贝克兰开始研制能代替天然树脂的绝缘漆。通过对苯酚与甲醛之间反应的深入研究,贝克兰终于在1907年的夏天有了新的发现——在一定的条件下,这种反应会生成一种不溶不熔的树脂,在其中加入木粉后,继续在高压下加热,变得柔软可塑,而且在变硬后,模塑的形状就被永远地保留下来了;而当树脂变硬后将其研制成粉末,装入模子后,再通过加热加压就可以使之重新合为一体。此外,这种树脂还有一个特点,就是一般不受周围环境影响。1909年,贝克兰对这种热固性材料——酚醛树脂申请了专利。

酚醛树脂问世后,人们发现它不但可以制造多种电绝缘品,还能制造日用品,爱迪生用它来制造唱片,并在广告中宣称:已经用Bakelite制出上千种产品。于是,一时间人们把贝克兰的发明誉为20世纪的“炼金术”。他也因这项意义深远的发明被称为“现代塑料工业的奠基人”。

真空三极管

德弗雷斯特读大学时参观了在芝加哥举行的世界博览会,博览会上那绚烂的灯光让他着迷,德弗雷斯特由此发现了电学的魅力,他决心把电学作为自己的终生奋斗目标。从此,德弗雷斯特如饥似渴地学习电学知识。

有一次,他在一本杂志上读到介绍无线电收发报机发明人——马可尼的文章。德弗雷斯特很佩服马可尼,梦想着拜马可尼为师。机会很快就来了,1899年,马可尼来到美国,他要用自己的无线电装置报道国际快艇比赛的实况。马可尼在成功地报道比赛盛况之后,在美国的一艘军舰上做了无线电通讯表演。

表演结束后,德弗雷斯特抓住机会向马可尼作了自我介绍。马可尼从谈话中知道德弗雷斯特的电学基础不错,并且很有创造思想,便指着发报机里的小玻璃管对他说:“要进一步增大通讯距离,必须改进金属检波器。我现在还没有想出好办法,希望你能在这方面作出贡献!”

马可尼的话对德弗雷斯特的启发很大,他为自己确定了一个研究方向。为了一心一意地做好这个课题,他辞去了原来的工作,从旧货摊上买来电瓶、电键、线圈等装置和元件,开始做实验。由于德弗雷斯特原本家境就不富裕,再加上辞去工作,因此,生活变得十分贫寒。为了维持生活,他给富家子弟补习功课,到餐厅去洗盘子……尽管艰苦,但这些都没能动摇德弗雷斯特的信心和决心。

1904年的一天,德弗雷斯特正在实验室里做真空管检波试验。忽然,一位朋友气喘吁吁地跑来,告诉德弗雷斯特英国的弗莱明博士发明了真空二极管的消息。对德弗雷斯特来说,这仿佛是一个晴天霹雳,经过短暂的犹豫和思想斗争,德弗雷斯特果断而坚定地选择了继续。

于是,德弗雷斯特又一头扎进了研究工作中。他请一位技师制作了几个真空管,接着,对真空管的性能进行检测,以寻找进一步提高的方法。

幸运总会垂青有毅力的人。一天,德弗雷斯特为了试试屏极距阴极远近对检波的影响。在真空二极管的灯丝和屏极之间封进了第三个电极,即一片不大的锡箔。他惊奇地发现:在第三极上施加一个不大的电信号,就会使屏极电流产生相应变化。第三极对屏极电流具有控制作用!这也正是德弗雷斯特长久以来梦寐以求的信号放大作用!

这一发现让德弗雷斯特备受鼓舞,但他很快从兴奋中冷静下来。为了验证准确,他又重复做了几遍实验,结果证实这种物理效果确实存在。德弗雷斯特还发现,用金属丝代替小锡箔,效果更好。于是,他把一根白金丝制成网状,封装在灯丝和屏极之间。就这样,世界上的第一个真空三极管诞生了!

1906年6月26日,德弗雷斯特发明的真空三极管获得美国专利。后来,人们把这一天当做真空三极管的诞生日。

侯氏制碱法

随着工业的发展,天然纯碱越来越不够用,于是出现了工业制碱。后来,英国卜内门公司建立了大规模生产纯碱的工厂,其生产方法采用的是比利时人索尔维创制的“索尔维制碱法”。除技术保密外,在销售上也有限制,他们采取分区售货的方法,例如中国市场就由英国卜内门公司独占。多少年来,许多国家的厂商想要探索此法的奥秘,无不以失败而告终。

然而,中国的化学家侯德榜深信,制碱技术绝不是洋人的私有财产,凭借中国人的聪明才智,一定能打破外国的技术垄断。为此,他还写下了座右铭:“勤能补拙,勤俭立业。”