书城科普世界科技史速读
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第5章 数理化工大发明(2)

1921年10月,侯德榜留学回国后,出任范旭东创办的永利碱业公司的总工程师。他精通业务、知识广博,在他的带领下,技师、工人们团结一心,为建成中国自己的碱厂而奋战。经过近10年的努力,侯德榜终于摸索出了索尔维制碱法的奥秘。为了支持我国的化学事业,范旭东支持侯德榜把其中的奥秘无偿地公之于世,使工业落后的国家不再仰仗技术大国的鼻息,不再听从大国的摆布。

侯德榜撰写的《纯碱制造》一书于1933年出版,该书刚一问世就轰动了整个科学界,被誉为“首创的制碱名著”,它使很多不发达的国家掌握了制碱技术。后来,侯德榜还亲自到印度和巴西,帮助建设碱厂。这不但是中国科学家对人类的一大贡献,也反映了侯德榜不求名利,一心为人民服务的高尚品德。

经过进一步的研究调查,侯德榜决定改进索尔维法,开创制碱的新路。他仔细揣摩了索尔维法的制造过程,认为这种方法的主要缺点在于:两种原料反应时只利用了一半,即食盐中的钠离子和石灰中的碳酸根结合成纯碱,食盐中的氯和石灰中的钙结合成了氯化钙,却没有实际用途。

针对以上生产中不可克服的种种缺陷,侯德榜创造性地设计了联合制碱新工艺。这个新工艺是把氨厂和碱厂建在一起,联合生产,由氨厂提供碱厂需要的氨和二氧化碳。母液里的氯化铵用加入食盐的办法使它结晶出来,作为化工产品或化肥,食盐溶液则可以循环使用。

1941~1943年抗日战争时期,环境相当艰苦,但为了实现这一设计,侯德榜仍兢兢业业地工作。他在经过500多次循环试验,分析了2000多个样品后,才把具体工艺流程定下来。新工艺不仅使食盐利用率从70%提高到96%,而且使原来无用的氯化钙转化成化肥氯化铵,解决了氯化钙占地毁田、污染环境的难题。侯德榜制碱新方法把世界制碱技术水平推向了一个新高度,赢得了国际化工界的极高评价。1943年,中国化学工程师学会一致同意将这一新的联合制碱法命名为侯氏联合制碱法。

人工降雨

20世纪40年代,人们发现在高空飞行的飞机机翼上会结冰,这对飞行是很危险的。由于战争,飞机被用到了战场上,这个问题也受到了很大的重视。为此,当时的美国纽约州通用电气公司聘请著名科学家朗缪尔博士研究解决这个问题。

年轻的文森特·谢弗作为助手,随同朗缪尔博士来到大雪纷飞的新罕布什尔山区做试验。在这里,他们惊奇地发现,周围云层的温度虽然经常低于冰点,但云中的水分却不结冰,也未形成雨或雪。谢弗是一个喜爱雪的滑雪爱好者,这个现象引起了他的浓厚兴趣。

当时,人们对雨雪形成的根本原因并不清楚。比较流行的观点有一种,认为水滴是凝聚在灰尘或其他物质的细小颗粒周围的,没有这细小的内核,水滴就无法形成。有人据此做了试验,但并没有得出确切的结论。

二战结束后,谢弗决心把雨雪形成的原因弄清楚。他用一部能够制造类似云中冷湿气体的机器进行了试验,并且往里面投入各种诸如粉尘、泥土、盐、糖之类的物质,期望能看见水滴的形成。然而,凡是能想到的材料都试过了,而试验的结果总让人失望。

一个炎热的夏日,谢弗冒着酷暑继续在制冷器中做试验。午饭时间到了,谢弗和平时一样,敞着制冷器的盖子就离开了。午饭过后,谢弗又回到制冷器前。他意外地发现冷冻箱的温度上升了。略一沉思,谢弗恍然大悟:原来,制冷器的盖子没有盖上,因而受周围热空气的影响,冷冻箱的温度也上升了。

为了继续进行试验,必须迅速降低温度。于是,他向制冷器内投入了一些干冰。在投入干冰的同时,谢弗正好向制冷器内哈了一口气。就在这时,奇异的现象出现了:在他的哈气时,谢弗看见制冷器内一些细小的碎片在闪烁发亮。他立刻明白了:这正是他望眼欲穿的冰的晶体!他不停地向制冷器内哈气,并且投入大量的干冰,但见冰的晶体变成了小小的雪花飘荡起来。

人造雪花就在这样的意外中产生了。谢弗和朗缪尔决定到空中去试验一番。他们热切地期盼着冬季的到来,因为只有在寒冷的冬天,大气的温度才足够冷。

11月的一天,户外天气很冷。谢弗驾着一架飞机,在云层上方撒下大量的干冰。留在地面观察的朗缪尔抬头密切地注视着天空。忽然,他看见无数的雪花飘飘洒洒地从天而降。这些雪花落在他的脸上化成了水滴。

就这样,谢弗用干冰实现了人工降雨,将呼风唤雨从一个古老的神话变成了活生生的现实!

晶体管

在晶体管发明之前,电子管器件历时40余年,一直在电子技术领域占统治地位。但不可否认的是,电子管十分笨重,存在耗能大、寿命短、噪声大、制造工艺复杂等缺点。因此,人们一直在努力寻找新的电子器件来替代它。

19世纪末,人们发现了一种新材料——半导体,但直到第二次世界大战爆发后,半导体器件微波矿石检波器在军事上发挥了重要作用,半导体这才引起了人们的关注。许多科学家纷纷投入到半导体的深入研究中。经过紧张的研究工作,三位美国物理学家肖克利、巴丁、布拉顿捷足先登,合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件。它的发明开创了固体电子技术时代。他们三人也因而共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

最初,他们采用肖克利提出的场效应概念来研究晶体管。他们仿照真空三极管的原理,试图用外电场控制半导体内的电子运动。但实验屡屡失败。经过无数个不眠夜的苦苦思索,巴丁又提出了表面态理论。这一理论认为表面现象可以引起信号放大效应。表面态概念的引入,使人们对半导体的结构和性质的认识前进了一大步。布拉顿等人在实验中发现,当把样品和参考电极放在电解液里时,半导体表面内部的电荷层和电势发生了改变,这正是肖克利预言过的场效应。

这个发现使大家十分振奋,他们加快研究步伐。谁知,继续实验时却发生了与以前截然不同的效应。新情况把他们的思路打断了,渐趋明朗的形势又变得扑朔迷离。

然而,肖克利小组并没有畏缩、泄气,他们团结一致,紧紧循着茫茫迷雾中的一丝光亮。经过多次分析、计算和实验,1947年12月23日,他们终于得到了盼望已久的“宝贝”。这一天,巴丁和布拉顿把两根触丝放在锗半导体晶片表面上,当两根触丝十分靠近时,放大作用发生了。世界上第一只固体放大器——晶体管也随之而诞生。

尽管最初的晶体管原始且笨拙,但它在当时却是一个举世震惊的突破。晶体管的发明,终于使体积大、耗能多、易碎的真空管有了替代物。同真空管相同的是,晶体管能放大微弱的电子信号;不同的是它廉价、耐久、耗能少,而且在科技高速发展的今天它几乎能够被制成无限小。

1999年9月,法国原子能委员会的科学家研制出当今世界上最小的晶体管,这种晶体管直径仅为20纳米。如果将这种晶体管放进一片普通集成电路中,就好像一根头发丝被放在足球场的中央一样。

如今,小小的晶体管正在我们生活中的各个领域发挥着它不可忽视的作用。

特氟隆

1938年,美国杜邦公司的化学家罗伊·普伦基特博士正在开发一种新型制冷剂——四氟乙烯,这是一种无毒、不会燃烧的气体。平时,普伦基特总是在试验结束时将气瓶放入冰箱,可是,有一次他遗忘了一只气瓶,这只气瓶就这么在实验室的桌上放了几天。后来,气瓶里的气体聚合成固态,经研究这是一种被称为塑料王的碳氟树脂——聚四氟乙烯,也就是人们常说的特氟隆。

特氟隆的化学性能十分稳定,与大多数高分子材料一样具有耐酸性、耐腐蚀性等特点,另外,它还有耐热性、防水性等独特的性质,特氟隆的这些性能决定了它一旦形成表面膜之后,表面光滑、摩擦力小。起先,人们用它涂在枪筒内作为减少子弹摩擦用的“固体润滑剂”。而特氟隆能够与锅联系起来要归功于法国的格雷瓜尔夫妇。

1955年,法国工程师马克·格雷瓜尔将特氟隆用在他的钓鱼线上,这样,钓鱼线特别滑溜,不粘水草,也不会绕成一团分不开。一次,当格雷瓜尔向正在煎鸡蛋的夫人炫耀他那特别的钓鱼线时,正为鸡蛋粘锅而不耐烦的妻子发火了:“我天天用平底锅煎鸡蛋,老是粘锅,你有本事解决吗?”

妻子的埋怨触动了格雷瓜尔。于是,格雷瓜尔把自己的想法告诉了另外一名工程师,接着俩人开始了研究。起初试验很不理想,特氟隆真是名副其实的“不粘”,它在-260~330℃之间,不受化学品、水分、阳光或热力的影响,完全没有黏性,甚至连口香糖也粘不上。但是,格雷瓜尔并不气馁,经过几年的潜心研究,做了成千上万次的试验后,他终于掌握了最佳的配方、温度和操作工艺,成功地将特氟隆材料涂在锅底上,制造出了家庭用的平底不粘锅。

涂上特氟隆的不粘锅不仅美观,而且传热均匀,更主要的是,它耐酸碱,烧好的菜长期放在锅中都不会对它产生丝毫腐蚀。格雷瓜尔在制成不粘锅后不久就成立了名为“泰法尔”的特氟隆食品公司。

特氟隆不仅促成了不粘锅的发明,而且还开启了人们的发明思路,使特氟隆找到了其他许多用武之地。比如,人们将它涂在压面机的碾棍上,涂在做糕饼的模子里,那些碾棍、模子连一点面粉、糖浆都粘不上;有人还将它涂在钢笔尖上,吸好墨水的笔尖根本不需要拿纸去擦净,因为那上面滴水不粘。

造纸术

我们的祖先最初把文字刻在龟甲或兽骨上,称为甲骨文。商周时代,又把需要保存的文字铸在青铜器上或刻在石头上,称为钟鼎文、石鼓文。春秋时期,人们开始把文字写在竹片或木片上,称为简牍。另外,也有用绢帛写字的,但材料十分昂贵。在这种情况下,蔡伦发明了纸。

蔡伦总结了前人造纸的经验,带领工匠用树皮、麻头、破布和破渔网等来造纸。他们先把树皮、麻头、破布和破渔网等东西剪碎或切断,放在水里浸渍相当长时间之后,再捣烂成浆状物,经过蒸煮,然后在席子上摊成薄片,放在太阳底下晒干,这样纸就制成了。

用这种方法造出来的纸,体轻质薄,很适合写字。公元105年,蔡伦把这个重大的成就上报了朝廷,受到了称赞。从此,全国各地都开始用这样的方法造纸。

纸很快取代了简、帛,广泛应用于书写或印刷。东汉安帝建光元年(公元121年),蔡伦的弟子孔丹在皖南造纸,他很想造出一种世上最好的纸为老师画像,以表缅怀之情。

一个偶然的机会,孔丹来到峡谷溪边,看见一棵古老的青檀树横卧溪上。由于流水终年冲洗,树皮腐烂变白,露出一缕缕修长而洁白的纤维。孔丹灵机一动,认为这种纤维是造纸的绝佳材料。事实果然如孔丹所料,经过反复试验,终于大功告成。用这种纤维造出来的纸就是历史上有名的“宣纸”。由于宣纸产于安徽泾县,古属宣州,所以就称宣纸。

到南唐时,宣纸的发展又进入了一个新的阶段。后主李煜在政治上是不成功的,但却热衷于文化事业。作为朝廷贡纸的宣纸在李煜的监制下显得更为名贵,澄心堂纸就是这个时期的产物。澄心堂原本是南唐列祖李弁的宫室之名,可见,这种纸是专为南唐宫廷制造的。据说,这种纸要用腊月敲冰所取的水制造,滑如春水,细密如蚕茧,坚韧胜蜀笔,明快比剡楮,长者可16.6米为一幅,自首至尾匀薄如一。

宋代继承了唐和五代的造纸传统,出现了很多质地不同的纸张,纸质一般轻软、薄韧,上等纸全是江南制造,也称江东纸。欧阳修曾用这种纸起草《新唐书》和《新五代史》,并送了若干张给大诗人梅尧臣,梅尧臣收到这种“滑如春水密如茧”的宣纸竟高兴得“把玩惊喜心徘徊”,澄心堂纸在唐宋时期名贵难求的程度,由此可略见一斑。

元代的造纸业开始凋零,只有在江南还勉强保持着昔日的景象。到了明代,造纸业又兴旺发达起来,主要名品是竹纸、宣德纸、松江潭笺等。清代宣纸制造工艺进一步改进,成为家喻户晓的名纸。各地造纸大都就地取材,使用各种原料,制造的纸张名目繁多,在纸的加工技术方面,如加矾、染色、洒金和印花等工艺上,都有了进一步的发展和创新。

印刷术

印刷术诞生之前,人们出版一本著作完全要靠手工抄写,质量无法保证。随着墨和纸的问世,雕版印刷术诞生了。它的操作方法是:将一篇文章用反手刻在木板上。印刷时,在版上刷墨,然后将纸盖在版上用干净的刷子轻轻刷实,纸上就会出现黑色的字迹。

20世纪初,考古学家们在甘肃敦煌千佛洞中发现了唐咸通九年雕印的《金刚经》,它成为目前世界上标有确切雕印日期的最早的印刷品实物。

雕版印刷由兴到衰,历经了1000多年的风风雨雨。经过长期的摸索,活字印刷术诞生了。它的问世不但记录和传播了中国传统文化和文明,更带动了世界范围内文化艺术和科学的发展,而所有这一切,都要归功于现代印刷业的鼻祖——毕昇。