书城科普读物低碳能源:新时代的绿色引擎
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第21章 新时代的引擎——LED(1)

一、“9·11”事件——光与火的较量

我们知道,对于人类来说,光和火是多么重要。很难想象,地球上没有光和火,那将是一种什么情况。

念小学的时候,读过一篇古希腊神话,讲关于“光与火”的故事。相传古代有一位天神叫做普罗米修斯,他用泥土和水,按照天神的形象创造了人类。众神之首宙斯却拒绝给人类提供火种,人们只能生活在冰冷和黑暗的世界中。善良的普罗米修斯为了解救人类,冒着生命危险,从太阳车中为人类盗来火种。人类有了火,一片欢腾。宙斯十分气愤,下令把普罗米修斯钉在高加索山的峭壁上,放出一只大鹰,每天飞去啄食他的肝脏。普罗米修斯痛苦的吼声震撼山河,但是,他没有屈服。他坚持了3万多年,直到一位好心的天神杀死大鹰,才解救了他。人们感激和崇拜天神普罗米修斯,因为他为人类送来了光和火,送来了温暖和光明。

在现实生活中,光和火是生存的必要条件。可是,光和火也可能被坏人利用,使它变成杀人的工具。“9·11”事件中,恐怖分子正是利用民航飞机载有70多吨汽油,撞上纽约世贸大楼后,汽油燃烧的熊熊烈火一直持续4个多小时,几十万吨的钢结构楼架,因受热支撑不住而瞬间垮塌,造成旷世悲剧。可是谁又能想到,就在大楼被撞后,楼内断电,烟雾弥漫,一片漆黑,人们惊恐万状走投无路的时候,突然发现在安全疏散通道和楼梯里,一条条闪烁着奇异绿光的标志,清楚地指引着出逃的方向,就连楼梯的踏步和扶手上也都闪着这种奇异的绿光。就是这种救命之光,点燃了求生的希望,人们迅速安静下来,按照箭头指示的方向,紧靠楼梯一边鱼贯而下。楼梯另一边是紧急赶来的消防队员,快速冲上楼去解救那些需要帮助的人。

在这场“光与火”的较量中,正是来自中国的神奇绿光起到关键作用,是它战胜了恐怖分子邪恶的烈火,拯救了1.8万人的生命。这种发出神奇绿光的材料,就是肖志国研制的无毒无害的新型发光材料,学名叫做“蓄光型自发光材料”。

二、萤火虫点燃农村孩子梦中之光

1962年10月,肖志国出生在辽宁锦州一个农村家庭。那时候,在他的家乡还没有电灯,我国经济正处于最困难时期,每人每月配给3两食用油,连炒菜都不够,更舍不得点灯。肖志国从小聪明好学,爱动脑子。他想,家里没有灯光可看书,能不能到大自然中寻找灯光呢?

夏日的夜晚,人们都在院子里乘凉,肖志国却带着小朋友到野外去捉萤火虫。天上的星星,一闪一闪地眨着眼,好像在问小朋友们:你们在追逐什么呀?而树枝草丛中漂浮着的萤火虫,点着微弱的小灯笼,也一闪一闪地眨着眼,好像也在问小朋友们:你们在追逐什么呀?此时的肖志国心中只有一个梦,那就是追逐和寻找不用花钱又可以读书的光。

没有多久,满头大汗的孩子们抓到一大把萤火虫。肖志国把萤火虫装进玻璃瓶子里,带回家当灯照明。但是,萤火虫的荧光持续不了多久就逐渐变暗,不能长时间照明。肖志国生性爱动脑筋,凡事爱琢磨个究竟。他仔细观察萤火虫发光,想了解萤火虫的“小灯笼”是怎样慢慢熄灭的。

肖志国多么希望能找到一种办法,使萤火虫发出的光变得又亮又长,就连晚上做梦都在想着这件事。他好几次梦见满屋飞舞的萤火虫会发出不灭的光,照亮书本,照亮房间,照亮这个世界……

一天晚上,肖志国突然想到,玻璃瓶里的萤火虫是不是因为瓶盖拧得太紧,缺少空气,不能继续发光。于是,赶紧从一块旧蚊帐上剪下一片纱布,做成小口袋,把萤火虫装了进去,结果发现不仅发光时间延长了,亮度也增加了。这次小试验,使他对科学研究的乐趣有了初步体会。他暗暗下决心:我要当一名科学家,研究出一种不用花钱,又能长时间发出明亮光线的“不灭的萤火虫”,让千千万万点不起灯的穷苦孩子能够在夜晚看书。

从此,肖志国的人生经历与“发光”结下不解之缘。

三、居里夫人与第一代自发光材料

高中毕业后,肖志国考取吉林大学物理系,开始他的追“光”之梦。4年后大学毕业,他毫不犹豫地选择并报考中国科学院长春物理所发光专业硕士研究生。长春物理所,是中国科学院专门从事固体发光材料研究的研究所。那里有一批固体发光材料领域卓有贡献的科学家和学术带头人,备有先进的科学实验仪器和设备,具有良好的学术氛围。肖志国来到这样的研究所,真是如鱼得水,兴奋无比,想摩拳擦掌大干一番,尽快实现童年时代的“发光”之梦。

要成为一名科学家不容易,要成为有发明创造的科学家更不容易,而要成为居里夫人那样在自发光领域的领军人物,尤其不容易。

在那个经济和科学研究条件都十分落后的年代,在一间破败的实验室里,居里夫人要从几十吨铀矿沥青废渣里,寻找出自己会发光的材料——放射性元素“镭”。

这是一项艰苦繁重、重复且乏味的工作。每一次提炼工作,都要将几十公斤废渣放在一口锅内,加上溶剂,无数次地蒸发、分离和提纯。对于男人来说,都叫人难以忍受,何况身体纤弱的妇女。但是,一个“发光”的梦,支持着她。无论酷暑,无论寒冬,她用渊博的物理知识和顽强的科学追求,支撑着自己,不达目的誓不罢休。经过3年零9个月的艰辛工作,终于在1902年获得0.1克镭盐,继而提炼出金属镭,宣告放射科学的诞生。第二年,居里夫人获得诺贝尔物理奖。

居里夫人的成果来之不易,更难忘的是发现成功的一刹那。那是一个没有月光的夜晚,居里夫人和丈夫一起慢慢走向那间实验室,心情忐忑地等待奇迹出现。当她们靠近实验室窗口时,突然发现,陶瓷碗中的镭结晶发出炫目的蓝光。这意味着他们成功了。此时,他们没有欢呼,只是紧紧地相拥着,屏着呼吸,静静地看着那奇异的光芒,享受着成功的快乐。经过1275个日日夜夜,科学试验终于有了收获。

正当事业顺利发展,取得一项又一项发明的时候,由于长期从事放射性工作,身体受到严重伤害,居里夫人过早地离开人世。

后来,人们把镭称为第一代自发光材料。它具有强烈的放射性,对人体有伤害作用,一直没能成为照明工具,只是在医疗和其他领域发挥一定作用。当时价格昂贵,影响了广泛应用。

一直到20世纪初,科学家研制出第二代自发光材料,那是一种硫化物荧光材料,其中以硫化锌用得最多。“二战”前后,许多仪器仪表显示器用上这种材料。它能在黑暗中使人看清数字,在仪表领域大显神通。后来,在手表上涂上这种材料,夜晚时,就可清晰观察到时间,人称“夜光表”,很受欢迎。好景不长,这种材料必须添加放射性元素,对人体有一定毒害,终于在全世界范围淘汰。

能不能寻找一种无毒、无害又不需要电能且会发光的材料呢?世界各国发光材料专家都在努力,一直没有取得突破。

四、逆向思维柳暗花明

肖志国一直对居里夫人的拼搏精神和高尚品质十分敬佩,并从居里夫人所从事的事业中,找到奋斗的目标:独立研究出一种不含放射性元素的新的发光材料,一种无毒、无害、无污染,又能长时间自发光的材料。

所谓独立研究,就是自主的创造性研究,也叫“原创性研究”。它不是对已有技术的模仿,不是对原有技术的改进,而是另辟蹊径,跳出放射性元素的怪圈,走自己的路。

为走自己的路,肖志国付出大量的心血。他查阅了所有可以查阅的资料,希望从无数种可能发光的化学元素和化合物中,寻找到梦中那种“不灭的萤火虫”。

肖志国懂得,不像居里夫人一样付出艰辛的劳动是不行的。硕士研究生只有两年,除了完成导师布置的课程外,就得全力以赴地投入发光材料研制工作中去。每一分、每一秒钟对于他来说都是那么重要。为走自己的路,肖志国经历一次又一次的探索和失败,但他没有后退,顽强拼搏。

有人说科学研究是枯燥无味的,有人说科学好玩而且有趣。其实,从事科学研究的人都知道,科学研究是一种既枯燥无味又好玩有趣的事。因为制定的目标以及可能得到的结果,是诱人有趣的,实现这个目标的过程,往往枯燥无味,充满艰难险阻。

肖志国安下心来,不厌其烦地在实验数据的海洋中,寻找可以登陆的突破点。终于,功夫不负有心人,经过对照分析,肖志国发现自发光材料必须靠放射性元素慢慢释放的放射线激发它发光。这种放射线总有一天会消亡,这个消亡时期,科学上用“半衰期”计算。元素到了半衰期,发出射线的强度就会减少一半,材料发光逐步变弱。怪不得早年的夜光表到了一定年限,就变暗淡了。肖志国终于明白了,跟着前人走过的路,是走不通的。必须换一种思维方法,或许逆向思维,跳跃前进,才会柳暗花明。

一天,他突发奇想:为什么不研究一种新材料,自己不发光,但可以储蓄其他光源的光,需要时再把它放出来。那该多好啊!

肖志国为大胆的逆向思维激动着,决定打被常规走自己的路,重新开始,投入新的一轮“战斗”。新的“战斗”并不是那样顺利,但是,肖志国依靠扎实的基础知识,熟练的实验技术,终于发现某些“稀土材料”具有蓄光和放光功能。他十分兴奋,好像在漆黑的山路上,看到了光明,看到了希望。

五、萤火虫给予灵感

经过多次实验,肖志国找到几种稀土发光材料,可以稳定蓄光,然后放出光芒。这个结果并没令他高兴。因为,此时的材料有个缺点,就是“蓄光容易,放光难”,达不到短时蓄光后长时间放光的效果,也就是说这种材料储蓄的光在释放时,很快就跑光了。就好像水库里蓄满了水,闸门一打开,水很快流光了。可是,水库闸门是可以控制的,调整闸门开口,就可控制流量。同样道理,如果控制发光材料放光的速度,就能让储蓄的光慢慢释放,发光的时间就会变长。问题不就解决了吗?

实际上,近半个世纪以来,多少科学家都在为此奋斗,但都无成效。这道难题,科学上叫做“光-光转换技术”。此时,肖志国又拿出从小就有的那股子拼劲,明知山有虎,偏向虎山行,不达目的誓不罢休。

肖志国知道,稀土发光材料的发光原理和其他材料完全不一样。它是一个微观的物理过程。由于稀土材料原子结构的特点,原子核外层不同能量级轨道上的电子会跳上跳下。这种跳跃叫“跃迁”。当低能轨道上的电子吸收光线中的“光子”,增加了能量,就会跃迁到高能轨道,并落入一个小坑里。这个小坑,科学上叫“电子陷阱”。每个“电子陷阱”里可以落人许许多多带光子能量的电子,可以储存起来,好像肖志国小时候把抓到的萤火虫放入瓶子里一样。当人们把这种吸收了光子能量的材料放到黑暗中时,“电子陷阱”里的电子又会跃迁到低能轨道,同时把吸收的光子释放出来,形成发光。这种发光虽然明亮,但时间太短了,在黑暗中“电子陷阱”里的电子会一下子全逃出来,发出光后很快就灭了。

想一想,世界上的事情多么奇妙。电子陷阱蓄光竟然跟萤火虫玻璃瓶蓄光相像。设想一下,把装满萤火虫的小瓶盖子拧开,萤火虫会争先恐后地逃逸,一团明亮的荧光化为乌有。如果把瓶盖开一个小口,萤火虫就会一只一只爬出来,小灯笼会不停地一个接一个闪光,形成连续的长时间发光。