科普-中华学生百科全书-第564部分

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料；有人探索超导材料的微观结构和微观机理；有人研究超导材料的电磁特

性并且开拓它的应用领域。科学家们经历了　75　年的艰难岁月，尝遍了甜酸苦
辣，已查明在元素周期表里的大部分元素本身都具有超导特性或在高压力作
用下呈超导现象。科学家们已肯定了其中只有　33　种元素本身没有超导性。但
是，那些元素的超导转变温度极低，只有零点几度（绝对温度　K）至几度（绝
对温度　K）。随即，由巴丁（J．Bardeen）、库柏（　L．N．Cooper）和施瑞弗
（J．R．Sechrieffer）共同创立了解释超导转变的微观理论。这就是著名的
B．C．S　理论，这个理论在　1957　年问世，他们因此而荣获诺贝尔物理奖。在研
究超导体的电磁特性方面，1933　年迈斯纳（W．Meissner）和奥克森菲尔德
（R．Ochsenfeld）的磁测量表明，超导体的磁性完全与导体不同，他们将超
导金属锡（Tc＝3．72K）和铅（Tc＝7．19K）样品放在，这磁通完全被除在样品
外，样品表面的磁通线密度增加。纠正了统治超导界　22　年，认为超导体和导
体的磁性能完全一致的观点。这个效应被称为迈斯纳效应，是现代悬浮超导
列车能够飞速运行的理论基础。60　年代后期，日本就开始执行超导磁悬浮列
车计划，利用超导磁力使车厢在轨道上悬浮起来，并推动车厢高速前进。1972
年第一台　MC—100　型实验车实验成功，车长　400　米，浮起　10　厘米，但时速每
小时只有　60　千米；1978　年时速达每小时　347　千米；1987　年载入列车的时速
已达每小时400千米。日本目前已计划建设从东京到大阪的时速为每小时500
千米的磁悬浮铁路。超导悬浮列车在西欧也处在实验阶段，各方面技术在实
验过程中都得到不断的提高。人们期望这种列车不久将会运行在铁路上。
此外，用超导材料制造的电动机、发电机、变压器、热开关、辐射检验
器以及无接触转换开关、国防军工仪器等已经投入使用。
超导现象刺激着科学家们的求知欲，他们的理想像火山爆发一样沸腾了
整个科学界。但是由于超导转变温度太低，超导的设备、仪器、元件还需要
在液氦温区（4．2K）内工作，人们不得不以巨额投资设计和建造庞大的液氦
站，建立繁杂的辅助设备，把气态的氦转变成液体氦，然后通过辅助设备送
到使用的装置上去。所以当超导材料的超导转变温度还是在　23．3K　的时候，
科学家们的美梦，只好冻结在漂渺的脑海之中。然而，要提高超导材料的超
导转变温度，并不是一件轻而易举的事。经过　75　年的漫长岁月，超导材料的
超导转变温度从　4．2K　到　23．2K，仅提高了　19K，这种缓慢的进展速度，多么
令人困扰！
1986　年秋，中国科学院物理研究所的赵忠贤、陈立泉等人在镧钡铜氧和
镧锶铜氧的氧化物体系中观察到了在　46．3K　和　48．6K　下的超导转变，同时物
理研究所李林教授领导的研究小组，用溅射方法制备出超导转变温度为　25～
27K　的镧锶钡氧超导薄膜。中国的科学家，在高科技的国际竞争中已进入角
色。1993　年，美国得克萨斯超导研究中心的美籍华人朱经武宣布，他制备出
氧化汞、钡钙铜的超导体超导转变温度为　153K（零下　120℃），这是目前的
最高纪录。
全球超导热的浪潮，实际上是一场综合国力和科学水平的竞争，形成了
美、中、日三国三足鼎立的格局。谁都不甘落后，新的研究，新的成果不断
涌现，尤其是在　1987～1988　年间，几乎是每三天都有高温超导研究的新突
破。还有一些科学家，如日本的科学家声称曾发现锶钡钇铜氧超导体系有　60
℃的超导转变，一些科技刊物多次报导发现室温超导的现象，美国休斯顿大
学的科学家也声称在铒钡铜氧体系中发现有　230K（零下　43℃）的超导转变现
象，遗憾的是，这些结果无法重复成功。超导研究的每个突破都牵动着无数

人的心，震撼着科技界、产业界，各国政府都为超导研究鸣锣开道，美国原
总统布什曾公开宣布他要亲自过问超导研究，可见其重视程度。
超导热持续升温，而且持续的时间在科学史上是最长的，涉及的人数也
是最多的，这是什么原因呢？正如高温超导体一出现，世界的科学家们就断
言：第四次工业革命即将到来。因为高温超导体实现了在强电方面的应用，
全球的电力输送，从发电到供配电模式都将全部改变，若能做到无损耗地输
电，仅美国一个国家一年即可节省　100　亿美元。采用超导材料建设超导电子
对撞机的电子贮存环，有可能使达到　40　万亿电子伏特的粒子发生对撞，对揭
示神奇的微观世界和物质结构元将有重大的贡献。超导在弱电应用方面，如
电子通讯、信息技术、精密仪表、核物理、医学、军工、宇航的应用均有着
广阔的前景。高温超导的超导量子干涉仪已经诞生，为在上述领域中制备有
关仪器打下了基础。日本东海铁道和铁路新技术研究所声称时速每小时为
550　千米的悬浮列车已经研制成功，并计划于　1996　年完成全部试验，投入使
用。超导材料的成功应用，对电力工程、磁流体发电、超导电子学、地球物
理、国防科学、生物磁学、医学等十几个学科都带来重大影响，高温超导材
料在　21　世纪无疑会大放异彩。

纳米材料定乾坤

1959　年，诺贝尔奖获得者，美国物理学家查德·费因曼（Richard　Pbillips
Feynman）曾经提出：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产
生怎么样的奇迹？”这并不是一位科学家的异想天开，随着纳米材料科学的
出现、发展与完善，它很快变成了现实。纳米科学将对人类社会生产力的发
展产生深远的影响，有可能从根本上解决人类面临的重大问题，如粮食、健
康、能源和环境保护等。
纳米材料是指材料的尺寸处于　1～100nm（纳米：即　10　～100　）范围内
的金属、金属化合物、无机物或高分子的颗粒。这些纳米级的颗粒显示出许
多奇异的性能，这些性能既不同于通常的大块材料，也不同于单个原子状态
的特性。纳米科学领域，包括纳米技术和纳米颗粒的制备方法，观测它们的
奇异特性，各种纳米颗粒合成的纳米固体以及固体内的成份分布及纳米固体
的新特性与有关的应用。
从　19　世纪　60　年代开始，纳米材料的发现是在胶体溶液中，它们是直径
为　1～100nm　的粒子。科学家指出，直径小于　1nm　的颗粒是由　100　个原子构成，
称为原子簇团。固体的纳米材料首先是由德国萨利仑特斯大学的　H．格利特
（H．Gleit…er）教授所领导的研究组在　1984　年制成，他们是用　6nm（纳米）
铁粉压成纳米固体。1986　年，H．格利特宣称，纳米固体是一种具有奇异结构
类型的固体，而且指出，在纳米颗粒的直径为　2～10nm　的颗粒中，其原子数
目一般为　100～1000　个，其中有　50％的体积为按不同方向排列的界面原子。
这样组合而成的材料，表现出这种材料既不同于晶态，也不同于非晶态。在
纳米粉末方面，性质上显现出一连串奇异的物理特性，如金属的纳米粒子并
不反光而且吸收光，一般金属粉末在不同程度上都具有反射光的性质，而呈
现白色或灰色。而纳米金属粒子都很黑，不反光，说明具有很强的吸光特性。
另外，纳米金属粒子的熔点明显的比金属粉末低，如　10　纳米的铁粉，熔点降
低　33℃，即从　1526．5℃降为　1493．5℃。纳米金粉降低　27℃，即从　1063℃至

1036℃。其粒度越细，熔点下降越显著。在光学、电学、磁学、热学等方面
均与同类的块体材料不同。而且对于同一物质，即便有同样粒度，也会由于
制备方法、所处的环境和测量方法的不同而得到不同的特性。
1982　年，G．宾宁格（G．　Binnlg）和　H．罗尔（H．　Rohrer）发明了扫描
隧道显微镜（STM）。这种显微分析技术可以直接观察到原子，为开展纳米材
料的研究创造了有利条件。到　80　年代末，扫描隧道显微镜不仅是一种观测的
工具，而且，还可用来排布原子。为此，G．宾宁格和　H．罗尔在　1986　年获得
诺贝尔奖。这种扫描隧道显微镜的价格仅为电子显微镜的　l／10，但其放大倍
数要比电子显微镜大　10　倍以上。我国的科学家已经成功地制造了这类仪器，
而且它已进入了国内某些实验室。
1989　年，美国斯坦福大学的阿尔希勒奇在晶态石墨表面搬走了原子因，
写下了“Stanford　universty”的字样。1990　年，美国　IBM　公司的埃格勒博
士在零下　296C　的　Ni　表面用　35　个氢原子排出了“IBM”的字样。1991　年，日
本电光学有限公司在硅表面上搬走原子写下了“CEOL”（公司的缩写）。　1993
年　12　月，中科院北京真空物理实验室的宠世谨教授在硅表面搬走了原子，写
下了“中国”的字样。短短几年中，美、日、中三国已掌握了搬动原子的纳
米技术，所写下的字母大小是一个标点符号的　1／500000，表明人类按需要排
布一个个原子的技术已成为可能。查德·费因曼的梦想变成现实已不是遥远
的事情了，人类打开多姿多彩的原子、分子世界的时代即将到来。随着纳米
技术的发展，为开发原子级存贮技术，打下了有利的基础。如果将某种存贮
材料的原子一个个地按预想的方式进行排列，几个原子一组作为一个存贮单
元，根据设计的功能，进行合理布局，这样就可以使单位面积（或单位体积）
的存贮材料的容量提高几个数量级。这样，飞跃发展的计算机技术就会如虎
添翼，超高速的计算机将遍地开花。
纳米技术促进着纳米材料的发展，当纳米材料实现原子级的布局的时
候，人类就会进人一个崭新的天地。目前，在现有的科学水平上，纳米材料
的制备基本上分成两个阶段。首先是纳米颗粒的制备，接着是保持这些纳米
颗粒在没有受到污染（包括表面氧化）的条件下用　SGPa（G　为千兆帕，即　10
‘帕）的高压将纳米颗粒压缩成纳米固体。为了使纳米颗粒不受污染，纳米
颗粒的制备和纳米固体的压制都应在超高真空（10…7　帕）容器中进行。生产
纳米颗粒的方法很多，有机械研磨法、物理方法和化学方法。用物理方法制
取纳米粉末的设备和非晶态薄膜制备的方法原理相似，都可采用电子束、激
光束、高频加热、电阻加热等离子溅射，电子回旋共振等离子溅射等方法，
这些方法首先将待加工的材料激发成原子蒸汽再使它们沉淀下来，然后收集
粉末，进行压制。这类制备方法能获得较纯净的纳米材料，而且易于控制，
但还无法解决大量生产的问题。化学方法制备的纳米颗粒，粒度比较大，且
不均匀，连续压制成纳米材料比较困难。工业上已能制备的金属纳米颗粒有：
钠、钾、钙、铜、钼、镥、钌、银、钽、钨、锇、铼、铱、金、铊、铂、钯
等，还有部分金属氧化物。
纳米材料的应用将以丰富多彩的特色在材料科学史上描绘出奇妙的一
页，如纳米镍粉或铜锌纳米粉末对某些化合物反应是极好的催化剂，可代替
昂贵的铂金或钯催化剂。铁的纳米颗粒外面覆盖着一层　5～20nm（纳米）的
聚合物，可以固定大量蛋白质或酶，以控制生物反应，在生物技术和酶工程
领域中大有用处。高分子的纳米材料在润滑剂、高级涂料、人工肾脏、各种

传感器及功能电极材料方面均有重要应用。纳米材料的磁性功能也是非常突
出的，纳米级的磁记录材料能获得很高密度的磁记录特性。纳米材料不仅包
括粉状，而且还有纳米级的薄膜和纳米纤维。纳米薄膜又称超薄膜材料，制
成　10nm　磁膜或磁带材料，其磁性能得到显著的改善，如铁——硼——硅非晶
磁膜的磁导率比一般同类成分的磁性材料分别提高　10　倍。
纳米机器人（nano　robot）正在科学家们精心的设计之中，第一代的纳
米机器人是生物系统（如酶）和机械系统有机结合的产物，即使用多功能的
微型机器人（称为易于在人体血管流动的药物），注入人体血管内，作为全
身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至还能消
灭病毒，杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子、分子装配成有一定
功能的纳米尺寸的装配装置，它具有自我调节能力和转换程序，例如可以生
产人体所需的蛋白质。第三代