第五章化学科技   早期的化学属于一门实用技术,在这一方面,我国走在世界前列。我国的四大发明中有项发明就是化学科学的成就。化学的发展与科技的发展是同步的,化学的发展也促进了科技的展。火药的技术、烟幕弹的技术、化学武器等技术都是离不开化学的,可见科技的发展是离不开化学的。   中国古代的化学发展   ◎中国古代的冶金化学   化学在冶金技术方面中占有很重要的地位,中国古代在冶金过程中积累了丰富的冶金化学知识。※红铜   中国古代时期,人们在不断改进石器和寻找、开采石料的劳动中发现了天然红铜。红铜的发现也标志着开始了金属的应用。在今甘肃单纯齐家文化的多处遗址中出土了这类铜质锻造器件。由于当时烧制陶器的技术已相当成熟,既有了耐高温的陶器,又能造成1000℃以上的窑温,这就具备了用矿石冶炼金属的条件。大约在距今5000年前,中国已进入了冶炼红铜的时期。最初是利用孔雀石类氧化铜矿石,将它与木炭混合加热还原,得到金属铜。   ※司母戊鼎   人们在开始冶炼红铜的同时,青铜也随之出现了,其主要是是铜锡合金,其中往往含有铅和其他金属。铜锡合金的硬度比铜大而且坚韧,熔点也较低,容易铸造,所以得到了较快发展。在甘肃马家窑和马厂文化遗址的出土过程中发现了约公元前2500年的青铜器件,并且估计最初冶炼青铜是将红铜和锡矿石、木炭一起合炼而制得的,后来才逐渐发展到先炼出锡、铅,然后再与铜合炼。商和西周时期是中国青铜器的鼎盛时代。河南偃师二里头早商遗址出土了30余件锡青铜器,包括生产工具、兵器和礼器。河南安阳出土的商代晚期礼器“司母戊鼎”(如下图)是该时期青铜器的代表作,其重875千克,是世界上最大的古青铜器,其中含有的铜占84.77%,锡11.84%,铅为2.76%。   知识窗·中国古代的化学发展——陶瓷·   优美的陶瓷制品是中国对世界文明的重要贡献,从中国古代开始就可以制作和使用丰富多彩的陶瓷器。瓷器是中国重大发明之一,自东汉起,即由丝绸之路和海路输往世界各地,受到各国人民的喜爱,成为中国古代灿烂的文明之一。红陶属于陶瓷的一种,并且也是最早发现的。红陶是橙色、砖红、红褐色陶器的统称。陶坯在陶窑内烧制到一定程度后,采用氧化焰,黏土里的铁……家窑文化、大溪文化的红陶制品都占很大比例。红陶有泥质红陶和夹砂红陶两种,因其陶质松脆,所以器类主要是碗、钵、壶等盛容器。   1.陶器的制作方法是什么?   2.制作陶器的时候都用了哪些化学?   中国古代的化学技术   化学在中国古代就已经出现了,其作用无处不在,制陶的时候不仅可以用到,而且在酿酒和制糖等方面都要用到。可见,化学的用处真是不少,它一直围绕着我们的生活。下面就来看看在古代是如何运用化学来酿酒和制糖的吧。   ◎第一,酿酒   中国在4000多年前就已经开始利用酒曲使淀粉发酵酿酒,在世界上是生物化学方面的一项重大发明。中国古代酿酒技术不断发展,酒曲和曲酒的品种逐渐增多。蒸馏酒始自宋代,到明代已很普遍,同时还积累了专门的酿酒化学知识。   (1)制曲   中国的酒曲在汉代时期就已经有很多品种,最早关于中国制曲技术的记载是在晋人嵇康的《南方草木状》里,其中提到两广的“草曲”。南北朝时贾思勰所著《齐民要术》翔实记载了北方的12种造酒用曲的制作方法。宋人朱翼中所著《北山酒经》则是研究中国古代南方造曲法的重要文献,它已提及用老曲末为曲种。这有利于优良菌种的延续和推广。宋代发明了红曲,它是在高温菌红米霉的作用下产生的。但是红曲菌繁殖较慢,在高温酸败的大米上才容易生长。因此,红曲的制作是通过耐心的观察、长期的经验和特别的技术才研制成功的,确实来之不易。北宋陶谷的《清异录》对它已有记载。中国红曲的制造,曾受到国外酿造学家的赞叹。   (2)蒸馏酒   中国的蒸馏酒的出现,确切地说是在宋代。在河北青龙县发现了一具金代铜胎蒸馏锅,估计是用于蒸馏酒的。明代以后,中国普遍“用浓酒和糟入甑,蒸令气上,用器承取滴露”,以取得味道极浓烈的烧酒。   ◎第二,制糖   中国在3000年前的西周时代就已经知道通过淀粉水来解制糖。中国的制糖技术,长期以来积累了丰富的制糖知识,在化学史上占有重要的地位。   (1)砂糖   战国时期的楚国地区(今湖北省一带)已开始种植甘蔗,并将甘蔗汁加热浓缩成为“柘浆”食用。东汉应劭对“柘浆”的解释为“取甘蔗汁以为饮也”。东汉时已将甘蔗汁“煎而曝之”,使它凝如冰。这种糖块当时曾叫“石蜜”。南北朝时制取了粗制砂糖,梁代陶弘景《本草经集注》已提到“取(甘蔗)汁以为砂糖”。   (2)饴糖   饴糖的传统制法是把稻米、玉米、高粱煮熟后,加入磨碎的麦芽,掺水保温糖化。人们最初从发芽的麦谷尝到甜味。所以饴糖的创始与谷物酿酒在时间上应该相近或更早些,当然制作味道纯正的饴糖又要经过一段相当长的时间。饴糖曾在《诗经》中就已经有了记载,可知西周时已有饴糖。战国时成书的《尚书·洪范篇》有“稼穑作甘”之句。“甘”即饴糖。东汉许慎《说文解字》说:“饴,米蘖煎也。”最早对饴做了解释。   知识窗·中国古代蒸馏酒的制造技术·   蒸馏酒从元代开始,在文献中就已有很多的明确记载。经过几百年的发展,到现代蒸馏酒已经发展出了好多流派。古代蒸馏酒的生产技术需要经过几个过程。   第一,发酵技术。首先发酵时需要有发酵容器,发酵容器的多样性也是造成烧酒香型各异的主要原因之一。传统的发酵容器分为陶缸和地窖两大类型。然后是发酵工艺。蒸馏酒的发酵工艺脱胎于黄酒发酵工艺。   第二,传统的蒸馏器。我国的蒸馏器具有鲜明的民族特征。其主要结构可分为四大部分:釜体部分,用于加热,产生蒸汽;甑体部分,用于酒醅的装载。在早期的蒸馏器中,可能釜体和甑体是连在一起的,这较适合于液态蒸馏。冷凝部分,在古代称为天锅,用来盛冷水,酒汽则盛水锅的另一侧被冷凝;酒液收集部分,位于天锅的底部,根据天锅的形状不同,酒液的收集位置也有所不同。如果天锅是凹形,则酒液汇集器在天锅的正中部位之下方;如果天锅是凸形(穹状顶),则酒液汇集器在甑体的环形边缘的内侧。第三,蒸馏工艺技术。蒸馏工艺技术有液态蒸馏和固态蒸馏两种。最早的蒸馏方式可能是液态蒸馏。也可能是固态蒸馏法。但在元代的《饮膳正要》、《轧赖机酒赋》及《居家必用事类全集》中所记载的蒸馏方式都是液态法。液态法是最为简单的方法。元代时的葡萄烧酒,马奶烧酒都属于液态蒸馏这一类型。固态法蒸馏烧酒的历史演变情况不详,但固态法蒸馏花露的最早记载是在南宋《游宦纪闻》。另外据考古工作者分析,挖掘出来的金代铜烧酒锅是采用固态蒸馏。   第四,丰富多样的蒸馏酒。从文史资料的角度考察,古代的蒸馏酒分为南北两大类型,如在明代,蒸馏酒就起码分为二大流派,一类为北方烧酒,一类为南方烧酒。《金瓶梅词话》中的烧酒种类除了有“烧酒”(未注明产地)外,还有“南烧酒”这一名称。但实际情况是,在北方除了粮食原料酿造的蒸馏酒外,还有西北的葡萄烧酒,内蒙的马乳烧酒;在南方还可分为西南(以四川、贵州为中心)及中南和东南(包括广西、广东)两种类型。这样的分类仅仅是粗略的,并无统一的划分标准。   1.在古代中还有哪些运用到了化学知识?   2.制糖的工艺技术是什么?   中国古代的本草和炼丹术   本草学中对一些药物的来源、性质、鉴别、制法及配制有所叙述,在过程当中都应用和积累了很多的化学知识,因此本草学也是研究中国古代化学的一个重要依据。在中国古代,很多人都迷信炼长生不老的仙丹,从战国时代到明代共延续了约2000年。这个技术虽然有点荒唐,虽然最终也没有炼成,但却因炼丹家们进行了许多原始的化学实验而取得了不少的化学知识,并制备了很多药物,后来这些成果演变为本草学的一部分。   ◎秦汉时期的炼丹技术   秦汉时期是中国古代化学的奠基时期,在秦汉时期,秦始皇统一了中国,在他的那个时期,长生不老药很出名,他曾使齐人徐巿等入海去寻找长生不老之药,但是均遭失败。到西汉时,汉武帝刘彻曾接受方士的谋划亲自从事“化丹砂、诸药齐为黄金”,以炼制可使人羽化登仙的奇药。最早的炼丹术活动是升炼丹砂,飞炼五金八石和烧炼药金。炼丹家主张服食黄金等物的理论根据是“假外物以自坚固”。如东汉魏伯阳说:“金性不败朽,故为万物宝,术士服食之,寿命得长久。”李少君献给汉武帝(前141—前87)的长命方就是炼丹砂使化为黄金,用以制作饮食器,借以延年益寿。武帝时淮南王刘安曾招致宾客方术之士数千人,大规模从事炼丹,他们曾“煎泥成金,锻铅为银,水炼八石,飞腾流珠(水银)”。至汉晋时期,方士们所用的各类药料和所升炼的丹药品种已相当繁多,但是都不能令人长生,不过对中国医药学的发展有促进作用。当时的炼丹人士也都是那个时期著名的医药学家。炼丹术与医药学自始至终是互相渗透、互相影响的。   ◎中国古代的汞化学   硫化汞:中国古代的炼丹家由丹砂(即硫化汞)升炼水银,曾取得丰富的经验,在古代化学上具有很大的意义:它不仅是一项最早的无机化学合成工艺,而且也是用合成方法确定一种物质(丹砂)化学组成的最早范例,还是人类对可逆化学反应认识的开端。葛洪在《抱朴子内篇》中说“丹砂烧之成水银,积变又还成丹砂”。这是古代炼丹家对该可逆反应的简单概括。关于合成丹砂的明确记载,最早见于隋代方士苏元明《太清石壁记》(现存本为唐人楚泽编)的“太一小还丹方”。在唐代以后的中国炼丹术著作中“升炼灵砂”仍占重要地位,入明以后称人工升炼的丹砂为“银朱”。   氧化汞:氧化汞是比硫化汞更早制得的人工制品。《黄帝九鼎神丹经》中的“神符”、“柔丹”、“伏丹”都是在土釜中加热水银制得。这些“丹”实际上都是红色氧化汞,当时人们把它误认作“丹砂”。陶弘景最先明确区分了这两种红色的丹药。明代以后,氧化汞广泛用作疡科药,称为“红升丹”,因为那时是用水银、硝石、白矾三味混合升炼而成,又称“三仙丹”。用它制成的丹纯度很高,不含游离水银。   氯化汞:氯化汞的合成是中国古代汞化学中重大成就之一。氯化高汞俗名升汞,中国古代称其为粉霜和霜雪。氯化亚汞俗名甘汞,中国古代称为轻粉、水银粉。由于它们都是白色结晶,古时常发生混淆。中国古代炼丹家很早就将水银、硫磺(或直接用丹砂)和戎盐、绿矾(或白矾)一起升炼,以制取甘汞;如配方中再掺入硝石或胆矾,则可制得升汞。大约前者在东汉时先制得,后者在东晋时制得。这两种人工制品后来都成为重要的药物,并有多种配方,清代曾把升汞定名为“白降丹”。   ◎火药的发明   火药属于中国的四大发明之一,最初的火药本是出自炼丹家之手,后又为军事家所利用,因而得到了进一步的发展和改进,于是先后出现了燃烧性火药和爆炸性火药。火药的发明大约在唐代中期,而到唐代后期才开始应用于军事。   古代火药的成分:中国古代早期火药的基本成分为硝石(硝酸钾)、硫磺和含碳物质。硝石的利用是火药发明的关键。中国在炼丹术和医药中利用硝石开始很早,马王堆三号汉墓出土帛书的医方中已有硝石;《史记·扁鹊仓公列传》提到汉初名医淳于意用硝石为药剂。炼丹术兴起后,硝石成为一种主要炼丹药剂。早期丹经《三十六水法》就着重介绍了硝石在水溶液中对丹砂、雄黄、云母、石英等矿物的化学作用。   知识窗·火药与炼丹术·   炼丹术中有所谓的“伏火法”,其实质为对硝石、雄黄、硫磺、草木药等物在共同火炼前的预处理方案,旨在先改变它们的易燃、易爆的剧烈性质。由此可见,在“伏火法”出现前,炼丹家对它们混合加热的燃爆危险性已有认识,而现在的科学家可以从伏火法中,由反面看出他们当时对火药成分和化学性质的认识以至火药的配方。唐代的《丹房镜源》中已有用炭使硝石伏火的方法;唐元和年间(808)成书的《太上圣祖金丹秘诀》所载“伏火矾法”前一部分为“伏硫黄方”,此方的配伍实际上就是原始的火药方。其伏火操作中已包括许多防范爆炸的措施,表明作者已确知硝、硫、碳三物混合点燃的危险性。这时原始火药已经有可能出现。   1.火药的制造技术?   2.中国古代化学还有哪些用途?   中国近代的化学发展   我国古代化学虽有辉煌的历史,但近代化学却是于19世纪中期从欧洲传入的。19世纪末至20世纪中期,化学的发展可以说已经达到了一个极其辉煌的时代。   ◎质量守恒定律   1756年,俄国化学家罗蒙诺索夫正在实验室做实验。当他把锡放在密闭的容器中燃烧时,看到了其生成了新的白色物质,并且他还称了这些生成物质的质量,又做了一系列的化学实验,最后终于得到了一个结论:参加化学反应的各物质的质量总和,等于反应后生产的各物质的质量总和,这也就是著名的质量守恒定律。   ◎代原子学说   约翰·道尔顿是中国近代化学原子学说的奠基人。臆测性的哲学原子说虽早在两千多年前就产生了,可是真正使原子学说成为科学理论的,却是在19世纪初,这一理论是英国化学家道尔顿通过实验和严格的逻辑推导建立起来的,他为近代化学的发展奠定了重要的基础。伟大革命导师恩格斯誉称他为“近代化学之父”。原子学说的主要要点是:   (1)化学元素均由不可再分的微粒构成,这种微粒称为原子;   (2)原子在一切化学变化中均保持其不可再分性;   (3)同一元素的原子在质量和性质上都相同,不同元素的原子在质量和性质上都不相同;   (4)不同元素化合时,这些元素的原子按简单整数比结合成化合物。   ◎元素周期律   ※元素周期表   发现元素周期律的是俄国科学家德米特里·门捷列夫发现的,他是在19世纪时期发现的,并就此发表了世界上第一份元素周期表。   知识窗·近代化学的起源·   化学是一门应用科学,是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学。化学的起源和发展与人们的生活是息息相关的。人类的生活、衣食住行,都享受着化学带来的便利。中国作为四大文明古国之一,古代化学有许多辉煌成就,为化学的发展史写下了很多著名的诗篇。炼丹术和炼金术被称为是中国近代化学的起源,中国古代拥有最先进的炼丹技术。中国在化学起源方面的另外两项重要技术就是火药和造纸术。火药是在炼丹术上发明的,也被称为是“长生不老药”的副产品,后来才被应用到了军事上面。造纸术是人类保存知识和传播文化的重要工具,是中华民族对人类文明的又一重大贡献。中国是世界文明发达最早的国家之一,有着灿烂的古代科学文化,保存着极其丰富的历史典籍。   1.中国近代化学的发展?   2.运用到中国近代化学的有哪些科技产品?   现代化学的发展   化学和我们的生活是息息相关的,在我们的日常生活中,化学是无处不在的,所以化学也是一门满足社会需要的中心科学。它是一门在分子、原子水平上研究物质组成、结构和性能的辩证关系,以及物质、能量转化规律的科学。现代化学的发展,经历了很长的历史时期。大约五十万年以前,人类掌握了人工取火的技术。16世纪末至17世纪初,化学理论逐渐建立,英国化学家和物理学家波义耳,提出了科学的元素新概念,把化学确立为一门实验科学。二十世纪初,物理学科的新发现和新技术,特别是相对论和量子力学为现代化学进一步发展概念和定量描述提供了理论依据,将化学和整个自然科学的研究,推进到更深的层次上。现代化学工业的蓬勃发展,化学工业和产品在人类生活和经济活动中具有越来越重要的地位和作用。   (一)化学键和现代量子化学理论   美国化学家鲍林(L·Pauling)以研究物质结构和化学键理论而出名。他对化学的最大的贡献就是研究出了关于化学键的本质以及在物质结构方面的应用。他长期从事X射线晶体结构研究,寻求分子内部的结构信息,把量子力学应用于分子结构,把原子价理论扩展到金属和金属间化合物,并且提出了电负性计算方法和概念,创立了轨道杂化理论和价键学说。1954年,由于他在化学键本质研究和用化学键理论来阐明物质结构方面所作出的重大贡献而荣获诺贝尔化学奖。   (二)高分子科学和材料   高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料,包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。高分子是生命存在的形式,所有的生命体都可以看作是高分子的集合体。   化合物特征:一是分子量大(一般在1000以上),二是分子量分布具有多分散性。即高分子化合物与小分子不同,它在聚合过程后变成了不同分子量大小的许多高聚物的混合物。我们所说的某一高分子的分子量其实都是它的一种平均的分子量,当然计算平均分子量也以不同的权重方式分为了数均分子量、粘均分子量、重均分子量等。而小分子的分子量固定,都由确定分子量大小的分子组成。   (三)创造新分子新结构——合成化学   合成化学是有机化学、无机化学、药物化学、高分子化学、材料化学等学科的基础和核心。   有机合成部分主要内容是有机合成与路线设计的基本知识、现代有机合成方法、绿色合成化学、仿生合成等。   无机合成部分主要内容是高温合成、低温固相合成化学、水热与溶剂热合成、无机材料的高压合成与技术、CVD在无机合成与材料制备中的应用、微波与等离子体下的无机合成、配位化合物的合成化学、簇合物的合成化学、金属有机化合物的合成化学、多孔材料的合成化学、陶瓷材料的制备化学、无机膜的制备化学、合成晶体等。   (四)化学动力学与分子反应动态学   化学动力学是研究化学反应过程的速率和反应机理的物理化学分支学科,它所研究的对象是物质性质随时间变化的非平衡的动态体系。   化学动力学的主要研究领域包括:分子反应动力学、催化动力学、基元反应动力学、宏观动力学、微观动力学等,也可依不同化学分支分类为有机反应动力学及无机反应动力学。化学动力学往往是化工生产过程中的决定性因素。   科学家利用化学动力学原理研究出了药物降解的机理、影响药物降解的因素及稳定化措施和预测药物制剂的有效期。   加州理工学院的科学家就在当年诺贝尔奖获得者L·C·Pauling(鲍林)工作过的房间里创立了飞秒化学,实时观察到了分子解离过程。分子束技术应用于研究化学反应,使得人们能从分子反应层次上以一次具体的碰撞行为来观察化学过程的动态行为成为现实,激光技术的应用又使研究深入到不同能量状态(平动、转动、振动及电子运动状态)的反应物转化为不同能量状态的产物的态—态反应层次,形成一个新的科学分支——分子反应动态学或称微观反应动力学。   知识窗·化学与社会发展·   化学是无处不在的,它在世界上占有很重要的地位,化学与环境、生命、材料、能源、工农业生产以及人文等方面都有着密切的关系,同时,也是源于人类生活的。大自然既能给人类提供无穷的享受,也会给人类带来巨大的灾难,就看人类如何对待大自然。环境的无情报复使人类逐渐清醒,认识到了优化环境、善待自然的重要性。环境化学的产生为环境保护奠定了基础,绿色化学的兴起将促进社会可持续发展。化学科学的发展增进了人类对自然的认识,促进了社会的发展。但有的物质或某些化学变化对人类的生活和社会的发展可能会产生一些不利影响,因而帮助学生正确认识化学与社会发展的关系是十分重要的。   1.白磷燃烧后,能否不经冷却直接放在托盘天平上称量?   2.锥开瓶上为什么要铺上细沙?   用蓝色的笔画出绿色的天   ※颜料   有一个画家竟然画出了绿色的天,是他的眼睛色盲,还是有其他的什么原因?   蓝天白云一直是我们脑海中最美丽的风景,可是当你看到有人画出了绿色的天,你会疑惑到底发生了什么?这到底是怎么一回事,是我们太孤陋寡闻了,还是画家别出心裁?   据说,有一天画家作画,思想愉悦的在自己的幻想里,画出了他认为的大自然里最纯洁的蓝天白云。作家决定珍藏起来,于是把它放了起来,唯恐被别人要了去。过了一段时间,画家终于忍不住想看一下自己的杰作。可是再拿出来的时候,画家震惊了,他的蓝天白云图,不知是着了什么魔,蓝天变成了绿天。不久,他的一个化学家朋友,向他揭露了蓝天变绿天的秘密。   其实,当时画家绘画所使用的蓝色颜料,是一种叫“铜蓝”的矿石。时间长了,铜蓝的化学成分硫化铜和空气中的水、氧气发生了化学反应,生成浅绿色的硫酸铜,变成绿色。   铜蓝   铜蓝是一种含铜量为66%左右的矿物,是提炼铜的矿石。铜蓝呈蓝色,铜蓝是铜矿石矿物,因呈靛蓝色而得名。成片状或像膜似的覆在其他矿物或岩石上。   铜蓝晶体为六方晶系,呈六方片状。金属光泽或光泽暗淡,属于硫化物-单硫化物-铜蓝族。铜蓝通常以粉末状和被膜状集合体出现;颜色一般是靛蓝,浅蓝,深蓝或黑色;有灰黑色的条痕;无透明度;性脆靛青蓝色,低硬度,块体呵气后变紫色。形态有极为少见的单晶体,呈细薄六方板状或片状。   铜蓝,是含铜硫化物矿床次生富集带中最为常见的一种矿物。但是由热液作用形成的铜蓝是极其稀少的。在火山熔岩中也曾有发现铜蓝,它是硫质喷气作用的产物。   铜蓝是铜的矿物原料,通常与其他铜矿物一起作为铜矿石利用。   知识窗·化学科技——纸上开花·   明明就是一张白纸,可是在水里泡上几分钟,竟然变成了一幅栩栩如生的鸳鸯戏水图。这其中的奥秘在哪里呢?其原因就是画画的墨水是用硼酸勾兑出来的。墨汁干了就看不见了,放到水里就又会显现出来。   硼酸是有害物质,工业生产中,可能会引起皮肤刺激、结膜炎、支气管炎,一般无中毒现象发生。口服引起急性中毒,主要表现为恶心、呕吐、腹痛、腹泻、脱水、休克、昏迷或急性肾功能衰竭等,严重者甚至可致死。硼酸易被皮肤吸收,出现大量的鲜红色疹,重者成剥脱性皮炎。   硼酸也可作为防锈剂、润滑剂和热氧化稳定剂、刹车油、金属加工液、水处理剂和燃料添加剂。在冶金的时候,硼酸还可以防止金属焊接的表面氧化,也是硼铁合金的原料。玻璃和玻纤,可以降低黏度、控制热膨胀、阻止失透、提高化学稳定性、提高抗机械冲击和热冲击能力。氧化硼在低钠高铝的情况下表现为良好的助溶性,对硼硅酸盐玻璃来说很重要。硼酸的用途除了这些之外还有很多……   1.硼酸的还用哪些用途?   2.运用化学的科技产品?   化学科技——碳纳米晶体管   碳纳米晶体管根据属性,可以分为金属型和半导体型。碳纳米晶体管是由碳原子排列而成的微小圆柱体,比现在的硅晶体管小100倍,而且不需要对它们逐个处理,也就是不用从大量的纳米光中去费力地寻找有用的电子属性个体。研究表明,碳纳米晶体管性能上可以和硅一争高低,而且碳纳米晶体管可以制造得更小。现有的硅芯片在未来十几年将达到物理极限,硅芯片已经不能被制造得更小,因而我们急需寻找一种新的制造计算机芯片的材料来代替硅,具有神奇性能的碳纳米晶体管替代硅材料将是一个发展的趋势。   现在,科学家已开发出了当今性能最优异的碳纳米晶体管,它在某些方面的性能指标,已超过了世界上最先进的硅晶体管。这一发明,让未来半导体行业的主要材料碳纳米晶体管取代了硅晶体管,在创造发明的前进道路上又迈出了一大步。科学家证实,碳纳米晶体管作为硅晶体管的替代品,可行性是非常大的。在目前看来,科学家无法找到通过缩小硅芯片的尺寸来提高芯片速度很好的办法,所以,碳纳米晶体管的作用将会显得更加突出。   这种新开发出的“单层碳纳米管场效应晶体管”,采用的结构与传统的“金属氧化物半导体场效应晶体管”非常相似。其单位宽度的跨导参数值是目前性能最好的“金属氧化物半导体场效应晶体管”的2倍以上。用这样的方法制造出来的碳纳米晶体管,和以前设计的碳纳米晶体管比较,在衡量晶体管电流载流量的跨导参数值上创造了新的纪录。载流量与晶体管的速度有着一定的关联性,跨导参数值越高,晶体管的运行速度就会越快,所制造成的集成电路的功能,也将会更加的强大。   科学家指出,碳纳米晶体管的电子器件真正被商业化应用,从而投入使用,可能还需要十几年的时间。不过,从硅电子时代到纳米电子时代的过渡,是不会一蹴而就的,它将是一个循序渐进的过程。   来自IBM、苏黎世理工学院和美国的一个大学的工程师表示,他们构建出了首个10纳米以下的碳纳米管(CNT)晶体管,而这种尺寸正是未来十年计算技术所需的。这种微型晶体管能有效控制电流,在极低的工作电压下,仍能保持出众的电流密度,甚至可超过同尺寸性能最好的硅晶体管的表现。   科学家们在将碳纳米管用做晶体管过程中,遇到的最大难题是,人工制造的碳纳米晶体管是两种属性的混合体,这两种属性晶体管相互黏连呈线状或束状,这样就使碳纳米管用途大打折扣,因为只有半导体属性的碳纳米管才可以作为晶体管,而且当碳纳米晶体管两种属性黏连在一起时,金属性比半导体性还强。逐个处理碳纳米管的工作是缓慢而且繁琐的,但又没有实际的方法将金属型和半导体分开,这便成为将碳纳米管用作晶体管的最大障碍。   很多科研小组都致力研发小尺寸的晶体管,以切合未来计算技术对于更小、更密集的集成电路的需要。但现有的硅基晶体管一旦尺寸缩小,就会失去有效控制电流的能力,即产生所谓的“短沟道效应”。   科研人员在新的研究中,舍弃硅改用另一种碳纳米管进行实验。碳纳米管具有出色的电气性能和仅为直径1纳米至2纳米的超薄“身躯”,这使其在极短的通道长度内也能保持对电流的闸门控制,避免“短沟道效应”的生成。而IBM团队研制的10纳米以下碳纳米管晶体管首次证明了这些优势。   科学家表示此次研究的最大意义在于,证明了10纳米以下的碳纳米管晶体管也能表现良好,且优于同等长度性能最佳的硅基晶体管,这标志着碳纳米管可成为规模化生产晶体管的可行备选。   工程师在同一个纳米管上制造出若干个独立的晶体管,其中最小一个的通道长度仅为9纳米,而这个晶体管也表现出了极好的转换行为和漏极电流饱和,打破了理论的预言。当与性能最佳,但设计和直径不同的10纳米以下硅基晶体管进行对比时,9纳米的碳纳米管晶体管具有的直径归一化(漏)电流密度,可达到硅晶体管的4倍以上。而且其所处的工作电压仅为05伏,这对于降低能耗十分重要。此外,超薄碳纳米管晶体管的极高效能也显示出了其在未来计算技术中大规模使用的潜力。   知识窗·有机塑料·   科学家最近在塑料研究方面,又有了重要的新突破。他们研制出了一种同时具有磁性和超导性能的有机塑料聚合物。研究人员认为,这一成果对研制量子计算机和超导电子所需要的廉价而又灵活的元器件是非常有利的。   这种有机塑料是一种具有磁性和超导性能的有机聚合物,在世界上也是首次被研制出来,可以说是史无前例。   这种有机塑料的磁体,和目前被广泛使用的金属磁体比较起来有很多的优点。首先,它和金属磁体比较起来,重量轻、成本低;还有就是,这种有机塑料很容易加工成各种形体的材料,比如像塑料薄膜、涂料等。另外,科学家还可以很容易地把聚合物的其他性能,也掺杂到这种有机塑料里,这样就可以制造出能够对微小磁场产生反应,比如像可以改变自己形状那样的材料。   在此之前,事实上科学家已经研制出了有机磁体,不过这种磁体是利用小分子晶体材料制造而成的。而现在的这种有机塑料磁体,是世界上第一种具有磁性的有机聚合物。这种有机聚合物,在华氏零下455度的低温条件下,可以产生超导的性能。   这项研究其实只是对广泛的塑料电子研究的一部分。未来的研究重点,将是如何增加这种材料性能的稳定性、提高超导的起始温度。研究人员将通过改变有机塑料聚合物的分子结构,很大程度的提高聚合物呈现超导性能的温度。研究人员分析,如果采用这种方法,许多有机材料都将有可能具有超导的性能。   在不久的将来,具有磁性和超导性能的有机塑料将会在今后逐步替代目前广泛使用的金属磁体。   1.什么是非曲直碳纳米晶体管?   2.化学领域里还有哪些高科技材料?

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