形状记忆合金的应用

专题一：新材料——美化我们的生活专题二：化学与能源专题三：健康和生命中的化学专题四：化学与环境：绿色化学——让大自然远离伤害专题五：合成化学的魅力化学诠释美好生活Thechemistryexplainsfinelife专题一新材料——美化我们的生活Thenewmaterial——beautifiesourlife能源、材料、信息是现代科技的三大支柱，而材料是发展信息工程、新能源等高科技的重要物质基础，是当代前沿科学技术领域之一。材料主要包括金属材料、无机非金属材料和高分子材料在内的各种化学物质，必须具有光、电、声、磁、热等特殊功能或复合多功能的新型材料。同时也从传统的三维块状材料向二维的薄膜材料、一维材料和准零维的超细颗粒材料发展。尽管材料的性能各异、形式多样，但从化学组成看几乎无不涉及到元素周期表中的一百多种元素。决定材料使用性能的材料的组织结构和成分、合成和加工工艺以及性能，它们四者之间的关系如图2。形状记忆合金——“永不忘本”的神奇功能材料形状记忆效应可用图1所示的简单实验演示，原本弯弯曲曲的形状记忆合金丝（a）经拉直后（b），只要放入盛有热水的烧杯中，合金丝就会迅速恢复到和原来一摸一样的弯弯曲曲的形状（c）。(a)原始形状(b)拉直(c)加热后恢复图1形状记忆效应简易演示实验形状记忆合金享有“永不忘本”、“百折不挠”等美誉，被比作一个人应具有的永不变节、坚贞不屈的精神和气节。谁是名副其实的大力士？说明：如图2所示，形状记忆合金（a）能撑起自重100倍以上的重量，马达（b）的驱动力可达自重的50倍，而蚂蚁（c）和人（d）则分别是20倍和2倍。可见，形状记忆合金才是名副其实的大力士。形状记忆合金的应用科学家用当时刚刚发现不久的形状记忆合金丝制成了如图3（a）所示的抛物线形天线。在宇宙飞船发射之前，首先将抛物面天线折叠成一个小球，如图3（b）所示，这样很容易就能装进宇宙飞船上的登月舱内。当登月舱在月球上成功着陆后，只需利用太阳的辐射能对小球加温，折叠成球形的天线因具有形状“记忆”功能便会自然展开，恢复到原始的抛物面形状，如图3（c）所示。美国就制定了雄心勃勃的“阿波罗”登月计划1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，谛听着这位勇士从月宫里传回的富于哲理的声音：“对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步”。阿姆斯特朗当时的图像和声音就是通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面的。形状记忆合金在现代临床医疗领域内广泛应用记忆合金同我们的日常生活休戚相关形状记忆合金做管接头1970年以来，美国海军飞机上使用了几十万个这样的管接头，没出现过一次失效的记录。用形状记忆合金做管接头的办法是：先在转变温度以上，把镍钛合金管接头按密封要求尺寸进行加工，使它的内径比所要连接管子的外径小4％；然后，在液氮低温下将管接头直径扩大，使它的内径比所要连接管子的外径稍大点（大4％），并把两根要连接的管子从两端对准插入接头；最后，当管子处于工作状态，温度回升到转变温度以上，镍钛合金发挥形状记忆效应，管接头自动收缩，管径变细，恢复到第一次加工的尺寸，它就把两根管子紧紧地连到一起。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，实在方便。数字生活中的缤纷新材料数字生活已成为信息化时代的特征，它改变着人类生活的方方面面，在此背后，隐藏着新材料的巨大功勋，新材料是数字生活的“幕后英雄”。计算机是数字生活中的重要设备，计算机的核心部件是中央处理器（CPU）和存储器（RAM），它们是以大规模集成电路为基础建造起来的，而这些集成电路都是由半导体材料做成的，Si片是第一代半导体材料，集成电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。新材料是数字生活的“幕后英雄”以数字化通信（DigitalCommunication）、数字化交换（DigitalSwitching）、数字化处理（DigitalProcessing）技术为主的数字化生活（DigitalLife）正在向我们招手，一步步地向我们走来——清晨，MP3音箱播放出悦耳的晨曲，催我们按时起床；上班途中，打开随身携带的笔记本电脑，进行新一天的工作安排；上班以后，通过互联网召开网络会议、开展远程教学和实时办公；在下班之前，我们远程启动家里的空调和湿度调节器，保证家中室温适宜；下班途中，打开手机，悠然自在观看精彩的影视节目；进家门前，我们接收网上订购的货物；回到家中，和有线电视台进行互动，观看和下载喜欢的影视节目和歌曲，制作多媒体，也可进入社区互联网，上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙？似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边，随着新一代家用电脑和互联网的出现，如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时，饮水思源，请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界！为航空航天保驾护航的超高温陶瓷材料绚丽多彩的碳材料碳纤维富勒烯C60C60作为新型非线性光学材料具有重要的研究价值，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。将具有特殊笼形结构及功能的C60作为新型功能团引入高分子体系，将得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。碳纳米管就结构而言，碳纳米管可以看作是普通石墨的一个奇异变种。碳纳米管的结构相当于把石墨的平面组织卷成管状，于是黑色的丑小鸭马上就化做美丽的白天鹅，石墨管摇身一变成为纳米科技的新宠。纯碳纳米管每克售价1000元，价格为黄金的10倍。在科学家的手中，碳纳米管就像是魔术棒，不断变换出各种新花样。专题二：化学与能源氢能的开发利用首先必须解决氢源问题，大量廉价氢的生产是实现氢能利用的根本。氢是一种高密度能源，一般说来，生产氢要消耗大量的能量。因此，必须寻找一种低消耗，高效率的制氢方法。安全、高效、高密度、低成本的储氢技术，是将氢能利用推向实用化、规模化的关键。1．我国的制氢技术氢作为能源利用应包括以下三个方面：1、利用氢和氧化剂发生反应放出的热能；2、利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能；3用氢的热核反应释放出的核能。2．氢的储存与运输1.高压气态贮存:为减小贮存体积，必须先将氢气压缩2.低温液氢贮存:将氢气冷却到-253℃，即可呈液态3.金属氢化物贮存:氢与氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢和氢化金属构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储于其中3．氢的利用——氢汽车氢是一种高效燃料，每公斤氢燃烧产生的能量为33.6kW.h，是汽油的2.8倍，而且氢气燃烧具有着火界限宽，火焰传播速度快和点火能量低等特性，故氢汽车的总燃料效率比汽油车高20%。另一方面，氢燃烧的产物主要是水和极少量氮氧化物，不会产生CO，CO2等含碳化物和硫化物。从能源和环境保护角度看，氢汽车将是今后城市和城市间理想的交通工具。4．氢的来源与资源评估在宇宙中氢是最丰富的物质，氢在自然界多以化合物形态出现。在地壳十公里范围内（包括海洋和大气）化合态氢的重量组成约占据1％，原子组成占据15．4％。化合态氢的最常见形式是水和有机物（如石油、煤炭、天然气及生命体等）。然而，在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）数量极少。因此，欲获得大量的单质氢只有依靠人工制取氢的最大来源是水工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径专题三：健康和生命中的化学健康和智慧是生命的两大幸福。——MenanderofGreece，血液和尿的检查是体检项目中的常规项目，它就是由医药化学家所发明并经其他化学家在分析实验室中完成的。化学家利用X射线测定酶的三维结构，并显示在计算机屏幕上。药物化学家用计算机模拟各种可能的药物，看看何者可以和计算机显示的酶结构相匹配（图2.3）合成化学在药学中起着特殊的作用，它能制造出可用于解剖学的材料。骨骼的化学已经了解，能够代替骨骼和牙齿并被人体所接受的新材料将会制造出来（有些已经用于临床）。还有可以在车祸后需要用的暂时代替皮肤的材料。替代静脉或动脉血管甚至人体器官的材料，要求与人体生物学具有相容性，这样才不会引起过敏性反应。例如生物相容性对于隐形眼镜也是非常重要的（图2.4），这是化学今后将能做出更大贡献的一个领域。材料需要具有满足其功能的物理性质，但是它们也需要人体感到具有“生物性”的特殊表面层。专题四：化学与环境：绿色化学——让大自然远离伤害人类正深深地陷入当代环境问题的困扰之中。我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利。对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。——弗.恩格斯化学——环境污染的“替罪羊”公众对化学存在着一种很深的误解，认为化学就是带来环境污染的罪魁祸首，甚至歧视化学、厌恶化学，产生了“恐化学症”(chemophobis)，似乎有化学就不会有“绿色”，“化学”已经被许多人所误解为“污染”同义词.在日常生活中，某些所谓“绿色食品”的广告经常声称“本产品绝不含有任何化学元素(化学品)”，或许他们是一些“化学盲”[3]，可以原谅.即使在科技发达的美国，报刊也有类似荒唐的报道[1].然而，当众口铄金的威力使赫赫有名的杜邦公司也不得不让步地从宣传口号“BetterLifethroughChemistry”中把“Chemistry”去掉时[4]，不幸的“化学人”必须认识到：化学(化学人)已经成为环境污染的“替罪羊”绿色化学---环境污染的“克星”要保护我们的环境需要充分的知识和合理的对策.我们必须能够回答下列问题：（1）在我们的空气、水、土壤和食品中，存在着哪些潜在的有害物质？（2）这些物质来自何方？（3）有什么方案（例如代用品和改变生产工艺）能缓解和消除存在的污染问题？（4）某种物质的危险度与人们接触它们的积度之间的依赖关系如何？在现有的改进方案中我们应如何作出选择？在“绿色化学”的新对策中，化学家们认为[5]：绿色化学是更高层次的化学，它的主要特点是原子经济性，即在获取新物质的化学过程中充分利用每个原料原子，实现“零排放”，使化学从“粗放型”向“集约型”转变，既充分利用资源，又不产生污染.因此，绿色化学的根本目的是：面临人类可持续发展要求的巨大挑战，从节约资源和防止污染的观点来重新审视和改革传统化学，从而使我们对环境的治理从治标转向治本专题五合成化学的魅力展示最近科学家公布了新合成的一种烯烃，始祖鸟烯(Pterodactyladiene)，形状宛如一只展翅飞翔的鸟，其键线式如右图，其中R1、R2为烷烃基。图4伊夫机制的形象描述图图4中，伊夫的机制可形象的描述成一对舞者（烯烃），在催化剂（金属卡宾）作用下，和另一对舞者（另一烯烃）连成环状，接着相互改变搭档（形成两个新的烯烃）科学理论只是通过严密的逻辑体系对客观世界描述了了具有一定精密度的对应，作为某个时期的思想产物，它只是人类漫长认识过程中的一个阶段性成果，对它进行发展、怀疑、批评、纠正以及部分原理的否证等都是天经地义的，甚至整个理论的否证都可能出现。创新就是要标新立异，做前人没做过的事，敢于怀疑，善于怀疑，才会钻研，才可能创新。中国要想实现诺贝尔奖零的突破，必须从塑科学精神开始。只要坚定信念、勇于创新、艰苦敬业，以诺贝尔奖精神，创科学人生，实现我们心中的目标。