材料

发明:材料

  • 发明:材料 // 照片:© David Trood / gettyimages.de 发明:材料 // 照片:© David Trood / gettyimages.de
    Karl Ziegler,1898–1973,化学家、诺贝尔奖获得者


    “开始的时候,我就像一个漫步者,动身去探索一片未知的土地。”


    Karl Ziegler喜欢将自己毕生的事业比作一段通往未知终点的漫长旅程。他探索的陌生世界就是金属和碳化合物之间的化学关系。他的研究成果使得大量生产聚乙烯和聚丙烯等塑料成为可能。为此,他获得了1963年诺贝尔化学奖。
    发明:材料 // 照片:© David Trood / gettyimages.de


    来自田野的橡胶

    潜水服、汽车轮胎、橡胶密封件——橡胶蕴含了40000多种日常产品。传统方法是从橡胶树的胶乳中提取橡胶。但这种树只生长在热带地区,因此德国化学家Fritz Hofmann在一战期间就研制出了一种合成橡胶。现在的橡胶大多是用石油产品生产的。

    不过其他来源也有利用潜力:例如,俄罗斯蒲公英的胶乳也包含橡胶成分。目前,Fraunhofer研究所的研究人员正与轮胎制造商Continental合作建造一台试点装置,希望能够大量提取蒲公英橡胶。
    » 视频“蒲公英天然橡胶”


    俄罗斯蒲公英(Taraxacum koksaghyz)可产出天然橡胶

    不久,汽车轮胎将有望成为第一种蒲公英工业产品

      量身定制的钢

      钢材不仅仅是钢而已。例如,涡轮机要承受的力就与车身或桥墩不同。为使部件能够胜任各种具体的要求,就需要用到特种钢。目前已有2500种不同的特种钢。

      钢的主要成分始终是铁。添加了锰、镍、铬等外部元素后,钢就具备了特殊性质:例如,变得更轻、更稳定,或延展性更好。在计算机程序的帮助下,科学家能够事先模拟钢材特性并进行优化。这样,涡轮机的使用寿命就会更长,飞机可以变得更轻,汽车也能更安全。

      就在不久前,甚至专业人员都以为钢材的研发不可能再有新突破。但是德国材料研究人员研制的创新钢材又让人们重拾信心。


      含有不同添加物的合金可改善钢材的特性

      现在的钢材针对每项用途都进行了优化,例如用于飞机涡轮发动机

        量产碳材料

        头盔、自行车、网球拍,当然还有飞机和F1赛车,都应该尽可能轻、但稳定性强。碳纤维增强塑料(简称CFK)使这一切成为可能。但它的缺点是:截至目前,有许多操作步骤必须依靠手工完成,使得产品较为昂贵。

        德国材料研究人员正与汽车行业的专家合作,研究能使CFK成本大大降低的新生产工艺。机器能够将纤维编织起来,使之成型,然后再包上树脂。成品重量仅为钢材的一半,但碰撞安全性强,且不会生锈。这是制造节能飞机和汽车的理想材料——因为在重量减少的同时,耗油量也得以降低。


        新生产工艺使碳纤维增强塑料更低廉

          荷叶效应

          荷叶始终是干干净净的——因此这种植物在许多宗教中被认为是绝对纯洁的象征。这一神秘现象有其科学根源:水无法使荷叶润湿,会立即形成水珠滚落,并将污物携带走。20世纪七十年代,德国植物学家Wilhelm Barthlott发现了其中的奥秘:荷叶表面不是光滑平整的,而是覆盖有大量微型结构。

          现在,研究人员正利用荷叶效应研制防水、防油、甚至不沾血液的特殊表面。科学家们的目标是制造出具有自清洁功能的太阳能电池、可防污物沾染的窗玻璃,以及高效心肺复苏机。


          水无法在荷花的叶子上停留

          纳米涂层漆利用的就是荷叶效应:水会形成水珠滚落,并将污物携带走

            具有思考能力的服装

            德国政府的一个研究项目研制出了一种内置电子装置的消防员制服,它的作用不仅是耐高温。在火场上,它能够可靠地报告消防员所处的位置、他的心跳数和体温。必要时,这种智能制服还能向消防指挥中心发出报警,后者就能派人来救援。

            不过,智能服装不仅能在紧急情况下发挥作用:Fraunhofer研究所的研究人员正在研究一种智能运动衫,它能够测量人的呼吸和脉搏。这样,运动员就能优化其训练活动。


            “智能”服装可以救命

              无所不在的塑料

              波比玩具车、水桶、管子、垃圾袋、医学移植物——从高科技产品到日常用品:聚乙烯是最常用的塑料。它的稳定性极强,即使遇到腐蚀性物质也不会被侵蚀,还能耐受较大的温度变化。

              1953年,Max-Planck研究所研究员Karl Ziegler发现了如何才能廉价、迅速地生产聚乙烯:只要添加了特定的金属化合物(即Ziegler-Natta催化剂),乙烯气体在室温和普通气压下即可转变为聚乙烯。这项发现为聚乙烯大量生产创造了前提条件。但是聚乙烯的稳定性也有缺点:塑料袋对全球范围内越来越多的垃圾山可谓“功不可没”,严重污染了环境。例如,手提袋要完全分解,需要数百年时间。


              1963年诺贝尔化学奖:瑞典国王古斯塔夫六世·阿道夫向Karl Ziegler(右)道贺