科学技术史-6.3新材料的研究与开发(图文教程)

第三节 新材料的研究与开发

材料、能源和信息是现代文明的三大支柱。材料领域的每一次变革都会引起社会的革新。材料的发展，标志着人类社会的历史进程。目前世界上的传统材料已经有几十万种，新材料在以每年5％的速度增长。新材料种类的增长来源于三个方面，即对传统材料的改进、基于基础研究和应用研究的新成果、根据实际需要设计。这三种来源代表了三个不同的层次，说明人类认识世界和改造世界的活动正在由必然王国向自由王国迈进。近20年来，由于对新材料的需求日益增长，人们希望尽可能地增加在材料研制中的理论预见性；同时，随着固体物理、有机化学、量子化学、固体力学、冶金科学、微电子学、光电子学等学科的发展，以及计算机信息处理技术的发展，使根据实际需要进行材料设计成为现代材料科学的一个方兴未艾的基础领域。

3.1信息功能材料

当电子管发挥着巨大的效用之时，人们又发现它有许多不足之处。由于电子设备越来越复杂，所用的电子管数量也越来越多(如一部雷达往往要用300～400个电子管)，电子管的工作要靠灯丝发热，但灯丝的工作寿命一般只有几千小时，部分电子管失效整机就不能工作，电子管的数量越多，因个别电子管损坏而造成整机故障的可能性就越大；大量电子管给电子设备的散热造成麻烦；电子管数量越多电子设备也越笨重等等，这些问题都成了无线电电子技术继续发展的障碍。半导体和晶体管技术正好弥补了这些缺陷，从而为无线电电子技术开辟了新的天地。

半导体技术的理论基础是在研究固体物质导电性能时建立的“能带理论”。我们知道，原子中的电子分布在核外多层轨道上，最外层电子(价电子)受核的束缚最弱，这些电子一旦获得足够的能量，就可以越出原来的轨道以至于成为不受原子核束缚的自由电子。金属导电能力之所以比较强，是因为它们的最外层电子比较容易摆脱原子核的束缚而在金属体内自由活动。绝缘体则是它的最外层电子不容易摆脱原子核的束缚，致使其中的自由电子极少而难于导电。半导体处于上述两种情况的中间状态。固体物质里原子间的距离十分靠近，它们的外层电子轨道会发生交叠，即这些电子不仅受到自身原子核的作用还受到相邻原子原子核的作用，还会转移到相邻原子的轨道上去，形成电子的共有化运动。由于最外层电子的轨道交叠最多，所以价电子的共有化运动最为显著。原子间价电子的共用就形成共价键。

在一定的温度下，从价带被激发到导带上的电子和价带上所出现的空穴是不会越来越多的，因为无规则运动的电子不仅会由价带跃迁到导带，而且也会与价带中的空穴相遇而使一对载流子消失。所以对于一定的温度来说，它的导电性能是一定的。固体能带理论揭示了半导体的导电机理，这就为晶体管的发明奠定了基础。

3.2能源功能材料

功能材料的特点是超越了材料的力学结构性能，利用材料的光学、磁性等物理特征。人们已经成功地研制出100多种记忆合金，可以用力改变合金的形状，但加热后又可以恢复原来的形状。功能材料基本上是以金属材料、无机非金属材料、高分子材料为基础的，金属功能材料包括形状记忆合金、新型铁氧体、超细金属隐身材料、储氢材料、非晶体软磁合金；陶瓷功能材料包括超导陶瓷、光学陶瓷、半导体陶瓷、电容器陶瓷、敏感陶瓷等；功能高分子材料包括导电高分子、高分子、半导体、磁性高分子、液晶高分子等。

3.3纳米材料科学技术

自从80年代中期扫描隧道显微镜出现后，纳米技术开始高速发展。一般认为，纳米技术的发展有两个方向：一是由宏观向微观进行，即用宏观的方式将机器制造得越来越小，生产出各种微型、尖端的工具；二是由微观向宏观进行，即直接操纵原子和分子，对它们进行不同的排列组合，形成新的物质，制造出具有新功能的机器。

由于微电子技术尤其是超大规模集成电路的发展，纳米技术由宏观向微观的研究已取得相当的进展，各种微型机器不断问世。1989年初，美国一家医疗中心的外科医生在进行手术时，成功地将一个仅有针头大小的心动血压敏感器附在病人跳动的心肌上，而在这个小小的敏感器上竟装着3个微电子传感器。1991年，美国贝尔实验室研制出一个跳蚤型机器人，其中的硅质齿轮和涡轮机细小得如同灰尘粒，6万台这样的涡轮机所占面积仅有1平方英寸，只有借助高倍电子显微镜才能看到它们的外形和结构。随后，美国麻省理上学院又研制出一台名叫摩西的微型机器人，虽然它仅有1立方英寸大小，却能对各类刺激作出反应，在小角落里爬行。90年代中期，日本电器公司的工程师制出了一辆长仅4.8毫米的微型轿车，其零部件完全采用集成电路技术制造。现在，人们已经能做出比衬衣纽扣还小的计算机、用肉眼几乎看不见的机器人、只有头发丝百分之一粗细的手术刀等。应用纳米技术，越来越多更微小的机器还将不断出现。

和从宏观走向微观相比，纳米技术从微观向宏观的研究起步较晚，但也取得了一定成就。

1990年，美国国际商用机器公司的科学家用扫描隧道显微镜操纵原子，在镍板上用35个原子排出了"IBM”字样。英国科学家曾研制出一种大小约4纳米的复杂分子，它具有开和关的特性，可由激光驱动并读出结果，其开关时间只有微微秒(10-12秒)，这为光计算机的研制提供了可能。1993年，日本科学家研制成的64兆位记忆芯片。在这个只有指甲大小的芯片上，可容纳1.4亿个电子元件，而连接它们的电路只有0.4微米宽。纳米技术从微观向宏观的研究将为研制超大规模的光计算机和生物计算机奠定基础。