材料漫谈(一)
材料的品种非常繁多,到目前为止,各种新材料已经达到三十万种,而且还以每年百分之五的增长率不断增加。材料的品种虽然繁多,但是在化学上大致可以分成三大类,即金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料,这三大材料家族三分天下,鼎足而立,构成了庞大的材料王国。
我们常见的水泥、玻璃、陶瓷,就是无机非金属材料,这一类材料已经有长远的历史了。近年来发展迅速的是另一类无机非金属材料,又叫无机功能材料。这是一些具有特殊功能、特殊性质的新型材料,如半导体材料、激光材料、超导材料、磁性材料、电子材料、压电材料、光电材料等等。它们在现代科学技术领域中,有各种神奇妙用。
例如,半导体材料可以做成晶体管、集成电路及各种半导体器件,对发展电子工业和电子计算机有着重要的作用。利用小小的硅片做成的集成电路,可以装配成每秒能运算一亿五千万次的巨型电子计算机,还可以做成一个肥皂盒那么大小的电视机。
用红宝石、石榴石这样的激光材料,可以制成激光器,产生威力强大的激光束,既可击落遥远的敌方导弹和飞机,又可做成精巧的激光手术刀,在人的内脏甚至眼球内部作精细的手术。激光通讯可使万里之外的朋友、亲人之间互相联系,象对面谈话一样的方便。
光电材料是一种能把光能转换成电能的功能材料。光电材料可以用来制造“电眼”,或机器人的“眼睛”,进行遥控、遥测和自动控制,操纵于房屋之中,动作于万里之外。它还可以用来制造太阳能电池,利用太阳光来发电。可惜目前太阳能电池效率还比较低,假如能找到一种效率高得多、成本低得多的光电材料,太阳能发电就可以大规模推广。也许不久就能找到这样的材料,那时候,每一家屋顶上只要装一排太阳能电池,家里的电灯、电炉、电冰箱等等所需要的电就全都解决了。
材料世界非常辽阔,我们在这篇文章里只能作一个简略的介绍。
展望材料科学的未来,它的发展方向是什么呢?据科学家们估计,未来的材料科学将向着“分子工程学”发展。什么叫“分子工程学”呢?多年以来,人们探索新材料,用的是“配方炒菜”的办法。为了使材料具有某种指定的性能,先要设计出许多种方案,一个一个试验,然后选出一种比较好的材料来。用这种方法寻找材料,要做大量的试验,往往造成很大的浪费。如果我们根据原子、分子的结构理论,对每种元素、杂质的作用和它们之间的相互作用搞得清清楚楚,把它们的作用列成数学方程,再用电子计算机解这些方程,得出科学的答案,我们就能象设计房屋和定做衣服一样,“定做”具有指定性能的材料,省去了大量的试验,想做什么材料就做什么材料。这样,人类就真正成为支配自然界的主人了!