第一情报 ---材料工业

美国国家科学基金视点——化学与材料科学

供稿人:ISTIS  供稿时间:2006-11-2   关键字:nsf  材料  化学  
化学和材料科学是研究物质的科学。世界各国纷纷将资金投入到基础设施和研究人员的资助上,期望取得突破。虽然这一研究领域十分广泛,涉及众多的学科和分支,但科学家们有一个共同目标,即理解和控制关于分子和材料的所有知识,小到在1纳秒内化学键的制造和破坏,大到超过十年使用时间的桥梁支架的老化和腐蚀。(编注:1纳秒等于十亿分之一秒,许多运动的物体在1纳秒的瞬间是相对静止的。在某些情况下,纳秒的精确度至关重要,如对用于导航的“全球定位系统”发出的那些卫星信号来说,1纳秒的时间误差对应的空间误差约为1英尺,即光在这段时间走过的距离。)
在这个共同的目标下,化学和材料领域跨越了从基本粒子研究到广泛使用的人造骨头等众多研究方向,这些分支包括:冶金学(研制轻质、防腐和高强度的合金)、聚合体化学(创制出能替代我们汽车车身金属的高强度塑料)、固态化学(发明新的材料用于轻量电池)、凝聚态物理和化学(发现新的超导体和液态晶体)、工业化学(大量生产包括从燃料到药物的所有东西)、民用工程(设计寿命更长的用于高速公路的改良混凝土)、电机工程(制造更小、更快和更便宜的超导体);陶瓷工艺(创造出高温涂层用于涡轮叶片)、生物化学(设计能通过生物自修复功能,使植入和原机体合为一体)、实验科学(开发新物质,如用于修复植入的人造骨头、用于可印刷电子器件的导电聚合物、用于神经修复的自聚合纳米光纤、用于有毒污染清除的纳米级铁粒子和用于储氢的多孔有机金属化合物)等。
对于演生的理解
在我们常见的一些物质和现象中,当有许多物质聚集在一起远远超过正常组成数量时,就会出现一些奇特的不同于寻常的特性和现象,科学家称之为演生。它是专门研究大量相互作用的粒子的集体行为。
 
有一些非常典型的演生现象,如水大量聚集,在合适的温度和压力条件下就会忽然获得一种物质,它会飞溅、起泡、发出声音和出现漩涡,而没有出现冻结、气化、沸腾等日常现象。另一个例子是超导现象。将铅或锡置于某个温度以下的低温中,许多单个电子会忽然排成列做一致运动,使金属忽然没有了电阻。这种多电子聚集在一起后表现出来的行为是无法在单电子中找到的。
 
有关演生的类似例子在科学探索中屡屡被发现。1972年诺贝尔奖得主菲利普·安得森(Philip Anderson)在《科学》杂志上发表论文提出了“多了就是不一样” (More is Different)的观点,如今已成为一句名言。如果用这句话来描述固体、液体以及其他类型等凝聚态物质的内部机制是再恰当不过了。实事上,目前NSF资助的科学家们正在研究凝聚态物质中的演生现象,包括外部的重费米子超导性、超低温下的量子相变、玻色-爱因斯坦凝聚和高温超导等。(编注:重费米子超导电性曾一度是热门课题,但在1986年高温氧化超导体发现以后,被高温新超导材料的浪潮所淹没。近年来,这一领域又陆续出现了一些十分引人关注的新现象。)
 
自组装也是一种演生现象,某种系统的组成会自发建立起一种复杂结构而无需人工干预。科学家们已经开始在很多方向上研究自组装,从地震动力学到鸟类的成群结队。而这个过程在生物学中尤为重要,例如,细胞内的结构分子能自主组装细胞膜、核糖体和细胞的其他组份。事实上,NSF资助的研究者们正在试图将这种分子自组装运用到纳米技术中。
 
另一个汇集演生现象的研究领域是网路理论。这是一个相对较新的领域,研究对象为任何与连接网路有关的问题,包括从互联网的脆弱性到细胞内错综复杂的化学作用。NSF资助的诺特丹大学(Notre Dame)的Albert-Lazlo Barabasi和加州大学圣芭芭拉分校的Jean Carlson是网络理论研究中的领军人物。
材料设计
科学家希望有一天能通过计算机界面实现对特定物质材料的设计,但目前这种想法还只是一种展望。现在大部分有用化合物的合成方法都是通过不断地实验来发现的。材料的“设计”很大程度上需要依靠研究者的知识、经验和科学猜想。我们寄希望于研究人员通过不懈的努力,在以下三个领域获得更多突破性进展,使我们早日实现设计材料的构想。
 
首先,科学家现在能更好的理解材料内部的结构以及化学反应过程是如何进行的。科学家利用NSF资助的位于康乃尔大学的高能同步加速器光源(CHESS),通过强流X射线来探测分子和材料的结构。最近,科学家们又开始利用低速、冷中子来探测物质结构,目前这项技术已经广泛应用于从药物设计到机翼腐蚀检测等众多领域。而加州理工学院的泽维尔教授则通过“飞秒”激光,研究在小于1纳秒(相当于106飞秒)的时间范围内化学键的形成和破坏,这项成果获得了1999年诺贝尔化学奖。
 
其次,化学家和材料学家在数学理论、计算机模拟和数据分析方面取得了巨大的进展。其中,许多突破在很大程度上是建立在西北大学的John Pople和加州大学圣芭芭拉分校的Walter Kohn提出的理论和计算方法的研究基础上(编注:该理论与计算方法是使用毫微微秒化学技术对化学反应过程进行的研究,让人们通过“慢动作”观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态,从而从根本上改变了我们对化学反应过程的认识),为此两人分享了1998年诺贝尔化学奖。目前,新的概念和理论仍在不断发展,例如,斯坦福大学的Vijay小组将计算打包放到互联网上,利用几千台空闲的个人计算机进行处理,在模拟蛋白质分子折叠和错折叠上取得了重大进展;麻省理工学院的Gerbrand Ceder教授和他的合作者Dane  Morgan利用数据挖掘技术来预测蛋白质、合金和其他新材料的晶体结构。
 
最后,人们明白除非能制造出物质来,否则所有的合成物设计都是没有意义的。因此,研究人员正在努力开发新的分子结构模块,希望能达成这个目标。在这些分子结构模块中最著名的或许是纳米管和巴基球。(编注:碳纳米管,又名巴基管,是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管状的材料,管的直径一般为几纳米到几十纳米,最小为1纳米左右,管的厚度仅为几纳米。巴基球,又称富勒烯,是一种合成的由60个碳原子组成的球状中空化学多面体,富勒烯及其衍生物具有许多优异的性能,如超导性、半导体性、强磁性等,在光、电、磁等领域有广泛的潜在应用前景,有可能被用作润滑剂、催化剂、显微镜扫描仪的扫描头,或用于新型的蓄电池内。)
创造新材料
从石器、铜和铁器时代到钢铁、塑料和半导体的出现,人类文明发展史同时也是对物质和合成物的探索发展史。现在,化学家、物理学家和工程师正在依靠对“聪明”材料的研究,创制新一代的拥有特定性质的材料,这些材料能对环境的变化做出反应。其中,有些材料能对运动变化做出反应,进行修正从而减缓波动;有些则能对压力、温度或者电子活动的变化做出反应,从而改变形态或粘度,但仍能“记住”初始的设置。许多聪明材料将被应用于未来的小型化、低功耗的感应器,去探测有毒化学物、生物危害或辐射以及许多其他的刺激。
 
这其中最激动人心的要数超导材料设计的发展速度,现在能在比以前更高的温度下实现电流的无阻传输。如果在常温或接近常温的环境下,超导材料的技术能取得突破的话,将对全球电力传输起到革命性的推动。
 
另外,研究人员希望能开发出有效且便宜的材料用于光电设备,将光能转换成电能,这将大大减少人类使用化石燃料来发电的需求。研究人员还对能控制不同物质的光学特性的方法有很大的兴趣,研究领域包括用于照明的产生白光的发光二极管、用于众多产品中的新型液晶,以及用新的方法来控制光纤传输和光、电信号转换从而加速和提高通讯。
 
在医药和生理领域,具有潜在用途的新材料层出不穷,包括用于骨头生长的合成构架材料、人造皮肤和关节的合成体、植入式药物传送系统、不产生免疫系统排斥并能发挥器官功能的“生物适应性”材料等。
向生物学学习
生物界有许多奇妙的构造和现象让我们叹为观止,如人体构造的精妙、基因化学控制系统的复杂或是草履虫的类似头发的火车头结构,这些都反映出了生物的复杂和精确。而人类在分子制造方面的技术还远远无法和生物界相提并论,因此材料和化学研究人员开始向生物学学习。
 
目前比较前沿的领域包括两个方面:模仿自然界的产品和模仿自然界的方法。这些研究已经取得了一定的成绩。在模仿自然界的产品方面,例如,俄克拉荷马州州立大学的Nicholas Kotov和研究小组模拟珍珠母(海贝壳中的物质,以强度和弹性而出名),制造出在纳米尺度上高度压缩的层结构物质,这种人造珍珠母现已应用于飞机零件、人体装甲或人造骨头中的轻质、刚硬的组成部分。再如,西北大学的Samuel Stupp和研究小组开发了一系列的分子平台来聚合骨头、神经或其他组织的结构。他们将纳米尺度的分子纤维组织植入损坏的骨头或神经中,利用其自聚合的特性聚合成分子适应性的基质来加速和引导身体自然愈合过程。
 
与模拟自然界的产品相比,我们在模拟自然界的方法方面还有很多需要学习。目前我们制造分子和材料的工业方法混合了加热、压力、不同的原材料、危险的溶剂和不需要的副产品,而与此形成鲜明对比的是生物体的方法,它们能在日常温度和压力下仅仅依靠空气和水,再加一点来自于食物的有机成分就可以生产出需要的物质。
 
在模拟自然界方法的研究上,麻省理工学院的Angela Belcher和他的研究伙伴取得了一定成绩。他们尝试模拟生物过程来制作诸如壳和骨头类物质,先制备可以为无机化合物提供模板的自然或人造蛋白质分子基质,然后让无机化合物在纳米尺度,依次按照指定的晶体序列自己生长。通过精确合成方法,这种纳米结构材料能广泛应用于不同的电子、磁性和结构领域。
 “绿色化学”
近年来,越来越多的研究人员努力寻找环境友好型的方法来制造产品、创造化学反应、处理废弃物、利用能源以及监控空气和水的状况。绿色化学研究项目不仅能在一个更清洁的环境中弥补原来的破坏,还能在未来以一种更有效的方法使用原材料,充分强调再生资源和有潜力的独立能源。
在众多绿色化学目标中,能最快实现的可能是减少或者消除有毒溶剂和金属、腐蚀性化学物以及其他有害物质的使用。最成功的例子就是北卡罗莱纳大学Chapel Hill分校的Joseph DeSimone研究小组和北卡罗莱纳州立大学Raleigh协作,在各种不同的化工流程中,开拓性地采用二氧化碳作为唯一的溶剂,这项技术已被成功地应用于从特富龙生产到半导体制造的众多行业中。如果该技术能获得更广泛地应用,那么许多行业中的污染将明显降低。
 
同时,另有一些研究人员致力于研究氢能源的使用。氢作为汽车和其他应用的能源非常具有吸引力,其应用的最终产物只有水,不会产生污染环境的有毒气体和引起温室效应的二氧化碳。氢的制备是制约氢应用的一个主要因素,目前采用天然气作为原料制备会产生二氧化碳,而这正是应用氢能源希望消除的。现在正在寻找替代的方法,比如近日发明了一种能从葵花子油中提取氢的新技术,这种氢气有望成为新型、环保的车用燃料;另一部分研究者模仿叶子的光合作用,利用阳光分解水而产生氧气和氢气。
NSF的努力
研究人员近年来在材料科学方面取得了不少显著成果,很多程度上要归功于NSF的支持。NSF现拥有28个材料科学和工程中心、14个纳米科学与工程中心以及国家强磁场实验室等研究基地,并设立了众多资助大学实验室的基金和各种联盟,帮助研究人员接受材料科学中最前沿的挑战。
 
在尖端设备方面,NSF投资建设了位于康乃尔大学的高能同步加速器光源,2003年更是斥资640万美金在印第安纳大学兴建低能脉冲中子源。在人员项目方面,NSF曾资助加州理工学院的Ahmed Zewail从事最终获得诺贝尔奖的“飞秒”激光研究,资助斯坦福大学的Vijay从事蛋白质折叠方面的研究等。NSF对绿色化学领域的资助也已取得了可喜的成果,几乎所有的“美国总统绿色化学挑战奖”得主都曾获得过NSF的资助。近年来NSF对绿色化学领域的资助仍在不断增长。

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