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第6章 发明之最(4)

早在我国殷商时期,把字刻在龟甲和兽骨上,这种文字得名为“甲骨文”。后来,用竹片、木片连缀在一起,作记事材料。这种书简有很多不便,其中之一就是非常沉重。据说西汉时董仲舒上书汉武帝,他所使用的竹简是由两个大汉抬进宫里的。当时,也有用帛作为书写工具的。帛是用蚕丝织成的,虽然比较轻便,但成本太高,使用权被极少数人垄断。西汉时期,发明了用蚕茧外面的乱丝漂制成的薄片来书写,到了东汉时期,发现了用植物纤维造出的纸。东汉以后,我国的造纸术不断改进,纸的品种不断增加,质量也显著提高。

大约从公元6世纪开始,我国的造纸术流传到国外。朝鲜、日本、阿拉伯、欧洲等地相继掌握了这一技术。造纸术对于世界文化的贡献不可低估。例如,欧洲在掌握造纸术之前,文字是书写在羊皮上的,由于成本高数量少,书籍被少数僧侣独占。传入造纸术后,客观上为更多的人掌握文化提供了条件,对于思想文化的传播发展意义重大。

现在纸的品种各式各样,那些古老的纸与现在相比,似乎太落后了,但没有这些古老的纸,现在的纸也无从谈起。

第一架火箭飞机

世界上第一架火箭飞机是德国海克尔公司制造的He—176。

He—176于1939年6月20日,试飞成功。7月3日,它的速度达到每小时850公里,创造了当时飞行速度的最高纪录。

两年以后,德国又设计了Me—163火箭飞机,并且生产了350多架,它们的速度曾达到每小时1003.77公里,首先打破了时速1000公里的大关。1944年8月,Me—163第一次参战,曾先后击落盟国飞机10多架。

火箭飞机同一般的螺旋桨飞机和喷气飞机不同,它是以火箭发动机为动力装置的飞机。火箭发动机是一种自己既带燃料,也带燃烧时所需氧化剂的喷气发动机。它可以自给自足,不需要依靠大气层中氧的供应;它可以在极短时间内产生很大的推力,使飞机达到很快的速度和很高的高度;即使在大气以外,它也能正常工作。

火箭飞机也有不足的地方,那就是它的工作时间太短,航程不远,而且燃料消耗过大。如Me—163飞机,它带的燃料,竟占总飞行重量的一半。起飞时,火箭发动机在3.35分钟内把飞机送上12100米的高度,然后它只能滑翔下降,此外,Me—163飞机的燃料容易爆炸;为了减轻重量,飞机起飞后就把起落架抛掉,降落时只能靠滑橇。因此Me—163的损失,不是因为敌方的击落,而是由于降落时的爆炸事故。

后来火箭飞机正是由于这些缺点没有成为军用飞机的主力,但火箭可以帮助飞机突然起飞或加速,以缩短滑跑距离,便于追击敌人或避开敌对方飞机的攻击,作用还是不小的。

总之,火箭飞机既有其优点,也有缺点。

第一个金属脊柱

年仅33岁的美国妇女杰西·托马斯,脊柱上长了一个拳头大小的骨肿瘤。根据治疗的需要,医生将患肿瘤的脊柱切除了。手术后的杰西·托马斯只好日夜呆在特制的架子上,无法自由活动。为了使杰西·托马斯重新恢复行动的能力,于1979年7月17民医生把人造的金属脊柱植到杰西·托马斯的身上,代替脊柱骨架,使她恢复了站立和行走的功能,成为世界上第一个带金属脊柱的人。

其实,我国上海市伤骨科研究所和上海瑞金医院伤骨科早在1970年6月在为一位年仅27岁的患脊椎巨细胞瘤的男病人施行了肿瘤切除术以后,成功地作了脊椎移植手术。这一手术是以医用不锈钢人工椎体替代的手术,术后两个月,病人下肢瘫痪就消失了,6个月后已能起床,迄今已恢复工作多年。

从1970年以来,该研究所和该院已施行了4例这样的手术,均取得了成功。可惜这一临床成果未能在国际上及时交流,如按实际情况来看,我国取得脊椎移植手术成功显然比国外的要早。

对于金属在人体内的应用问题,不少学者进行过研究。研究表明,当人体的某些构造受到破坏时,有些金属能替代人体的这些构造。例如,用金属钽棒可替代骨胳,肌肉能够在钽棒上生长;用金属钛片和钛螺丝可以修复骨折,而且骨头还会生长在钛片的小孔和螺丝的螺纹里。这种可以替代人体某些构造的金属,被称为“亲生物金属”。

最深的钻井

从古至今,人们在地面上钻了无数孔井,大部分是为了寻找资源——开矿、找水、探石油,也有的是为了收集地质资料,了解地壳构造的秘密。

迄今为止,世界上最深的钻井是苏联地质学家于1979年7月开始在苏联北部境内的科拉半岛钻挖的一口地质勘探井,深度为12公里,比最深的海沟马里亚纳海沟(11034米)还要深。在此之前,苏联曾于1976年5月开始在阿塞拜疆开始探井,原计划钻深16公里,后因故中止。

1986年,联邦德国计划在黑森或巴伐利亚东北的上巴拉丁涅地区钻挖一口14公里深的地质探井。钻挖工程计划于1988年开始,1995年完成,估计费用为4.5亿马克。完成之后,它将是世界上最深、花费最多的钻井。

世界上最深的工业钻井则数美国俄克拉何马州贝莎罗杰1号油田的32#天然气井。该井由罗夫兰兄弟钻探公司于1974年4月3日钻成,井深9.583公里,费时503天。

第一个太阳能源理论

太阳上巨大的能量从何而来?

随着1932年中子的发现,物理学家贝特提出了第一个科学的太阳及一般恒星能量生成的理论:氢是太阳的燃料,太阳上所进行的反应不是一般的化学反应,而是在高温下面进行的热核反应。

太阳中心的温度高达1500万度。在这么高的温度下,原子几乎失去全部的核外电子,氢原子亦是如此,赤裸裸地只剩下原子核——质子。这些粒子在1500万度的高温下作高速运动,具有足够的能量,有资格去轰击其他的原子核,发生热核反应。经过实验和计算,贝特认为,目前太阳能量主要由4个氢核(质子)聚变成一个氦核的热核反应所产生。4个氢核聚变为1个氦核后,质量亏损了0.0276原子质量单位。亏损的质量转化为能量。据计算,1克氢聚变成氦,质量亏损0.0069克,相应放出的能量为6270亿焦耳。太阳上面氢的含量极为丰富,相应产生的能量自然是十分巨大。应当指出,太阳在放出能量的同时,氢核质量的亏损是极微小的。即使按目前太阳的辐射功率计算,100亿年之后,它的质量仅损失0.06%,实在微乎其微!因此,一切后顾之忧是多余的。

贝特的这一理论,给研究天体物理、化学性质、天体演化以极大的推动。他因此而获得了诺贝尔物理学奖金。

最大的发电风车

千百年来,除了人和畜的肌肉力量,风就是最主要的自然机械能量来源。但蒸汽机出现后,由于它不受天气的影响,被广泛地使用,而取之不尽,用之不竭的风力的价值却被人们淡忘了。

在过去,由于普通能源的价格始终保持在一个较低水平,风力设备的使用在经济上并不合算。现在,情况有了变化,火力和原子能电站的费用日益昂贵,而且它们引起的环境污染也成了新的问题,于是人们又想到了利用风力来发电。原联邦德国发展和科技部拨款1亿马克兴建了一座叫做格罗维安的大型试验发电风车。

原联邦德国的三个电业公司于1977年在于利希的原子核研究中心领导下组建了上个建造公司,开始进行大量的测量工作,最后确定在德国著名的风谷——石勒苏益格-荷尔斯泰因州的布隆坡特尔,建造一个世界上最大的发电风车。整个风车高达150米(美国的“摩德2号”风力电站高只有105米)。风车的每个桨叶长40米,重18吨,用玻璃钢制成。仅制造两片桨叶就花了两年多时间。风车塔身全部是钢管结构,直径3.5米,靠3根星形排列的钢绳来固定,里面安装了电梯、扶梯和电缆,总重达310吨。塔顶的机房可以以每秒0.5米的速度转动,从而可以根据风向调节风车的迎风面。在风速6.3米/秒时,风车开始运转;风速达12米/秒时,可发出3000千瓦的电,即达到设计的发电能力;风速达到24米/秒时,为了保障安全,发电机即停止运行(尽管它实际上可承受60米/秒的飓风)。为了尽可能保证正常不变的发电量,发电机可平衡15%的风速变化。这个电站可供250户独家住宅用电(包括取暖),——其发电量相当于350升燃油的能量。

当前,风力发电站虽然由于设备的昂贵而未能普及,但是由于它对环境无污染,已被实际运用于南极科学考察站的供电。

电力之最

目前。世界上最大的火力发电厂是日本鹿岛电厂,该厂总功率是420万千瓦,有4台60万千瓦的发电机和两台100万千瓦的发电机。

世界上最大的汽轮发电机是美国加文电厂的发电机,功率为138万千瓦,1973年投产。

世界上最大的核动力发电机功率为117.8万千瓦,1976年由美国建造。

世界上最大的超导汽轮发电机功率为2万千瓦,由美国制造,1978年投产。

世界上最大的地热发电机功率为13.5万千瓦,在美国盖伊塞电厂。

世界上最大的风力发电站为2000千瓦,1979年7月上旬在美国北卡罗来纳州建成。这座风力发电站建于1300余米的高山顶上,涡轮、发电机、变速系统均装在42.7米高的塔上,还装有一套自动控制系统,以监测风向和调整涡轮使其与风向一致。

目前世界电网最高的输电压为765千伏,1978年美国建成投产,输电线总长达3000多公里。

世界上最大的水轮机在美国大古里水电站,单机容量为70万千瓦,转轮直径为9.9米,其中第一台已于1978年2月投入运行。

最早的合成塑料

1905年,美国化学家贝克兰有一次将苯酚(石炭酸)和甲醛(福尔马林)放在烧瓶里,以酸作催化剂,然后进行加热反应。他发现烧瓶里的反应物渐渐变成黄色的胶状物,类似于桃树、松树上的树脂,牢牢地粘在烧瓶壁上。贝克兰多次用水冲刷,怎么也洗不掉。后来,他又用高温烘烤,想使它熔融。谁知这一烤,胶状物反而变成了硬块。这情况倒给贝克兰一个启示,他想,这东西既不怕水,又不熔融,岂不可作为一种很好的材料吗?

当时由于电气及仪器设备制造等工业的迅速发展,对新材料的需要十分迫切。为了弄清这一物质的性质,贝克兰又花费了多年的时间进行研制,到1909年,总算有了眉目。因为产物是经过酚和醛反应得来的,形态又类似树脂,所以取名酚醛树脂。它色泽呈淡黄色,又不大透明,粗看极象象牙,因此刚出来时,一些商人竞相贩卖。不少人把它当作象牙买进而受骗上当。

贝克兰的功绩在于人类历史上第一次制成了以小分子化合物,用纯粹化学方法合成了塑料。这一材料不仅是合成塑料的鼻祖,而且今天仍有着十分广泛的用途,继续受到人们的重视。

最早的塑料制品

赛璐珞,又叫硝酸纤维素塑料,是世界上最早出现的塑料。那么,这种最早的塑料是怎样发明的呢?

从前,台球是用象牙做的,可是象牙只能从大象身上得到。1860年,美国一个工厂主悬赏10000美元的奖金来征求制造台球用的象牙代用品。许多人都跃跃欲试,其中美国人约翰·卫斯里·海厄特日以继夜地研究制造台球的代用材料。有一次,海厄特把焦木素(纤维素二硝酸酯的俗名)和少量的樟脑及乙醇混合在一起,却惊奇地发现这种混合物外貌酷似象牙,并具有受热会软、冷了又变硬的特性。海厄特就利用这种混合物的特性,在1869年制造出廉价的台球,赢得了这笔奖金。

今天,尽管塑料品种日新月异,但是最早的塑料——赛璐珞,仍没有丧失它的地位。例如赛璐珞的最大优点是质轻、弹性特别好,是制造乒乓球最理想的材料,为其他塑料所望尘莫及。我国“红双喜”牌乒乓球驰誉全球,就是用国产赛璐珞制造出来的。

最硬的人工合成材料

1993年7月,美国哈佛大学传出轰动性的科技新闻:利用激光溅射技术研制成功了氮化碳薄膜。这种具有β-C3N4结构的新材料的晶体硬度超过了目前世界上最硬的金刚石晶体,成为首屈一指的超硬新材料,引起了全世界科学界和工程技术界的强烈反响和巨大震动。

制备氮化碳的实验是在1989年首先从理论上预言4年之后获得成功的。科学家在分析一系列超硬材料结构,如最硬的材料金刚石,体积弹性模量B高达435吉帕,立方氮化硼B=369吉帕,以及硬度相对较低的碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)和氮化硅(Si3N4)等超硬材料后,发现其中β-Si3N4已经有大量的研究结果,于是提出以碳取代硅会产生怎样的结果呢?计算表明,得到的数据令人振奋,描述β-C3N4晶体的弹性模量B=483吉帕!而材料的体积弹性模量B的大小正是表明材料硬度高低的宏观物理量。这就从理论上首次预言了氮化碳的硬度可能比以往世界上最硬的金刚石还要高。

在自然界,至今还没有发现天然存在的氮化碳晶体,而1993年竟然在实验室人工合成了硬度超过金刚石的这种新材料。这一轰动性的事件一经在美国的《科学》和《纽约时报》上报道,成为轰动性科技新闻后,立即引起全世界材料界的关注。于是世界上许多实验室开展了这项研究,一时间形成热潮。在研究机构、国防部门和公司企业的共同协作下,一些实验室很快取得很好的成果。这有力地说明,学者与企业家携手合作在高新技术发展过程中的重要性。

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