新材料的开发引导重构新世界

不久前，中国青年创新论坛邀 请我国材料学领域三位杰出的青年 学者李建保、卢柯和杨桂生就该领 域的发展和前沿问题展开对话。他 们妙趣横生的对话赢得了数百名听 众热烈的掌声。现将这场“陶瓷、金 属和塑料的对话”辑录于下，提供给 所有关心材料科学进展的人们。 主持人（中央电视台张泽群）： 这是一个春风拂面的夜晚。我们能 够齐聚中国青年创新论坛，我想是 我们的缘分，也是我们的幸运。 感谢在250万年前到270万年 前，那些用石头在敲打另一块石头 的猿猴，他们开创了一个时代，旧石 器时代。感谢15万年**位打磨石 犁的人，从那时起，茹毛饮血的人类 进入了农耕时代，从新石器时代大 步跑向我们。从开始使用石头，人类 都是靠手中的工具和武器来划分疆 界，获得生存的条件。 工具是什么？工具无非是不同 材料的器具。有人说，人类发明了工 具，工具造就了人类，人类和材料的 关系我们就可想而知了。材料是我 们在口头上经常用到的词汇。比如 说这个人是一块什么什么样的“材 料”等等。那么“材料”在科学上的定 义是什么呢？ 李建保（清华大学教授、陶瓷材 料国家重点实验室主任）：主持人的 开场白非常精彩。他刚才实际已经 说了，材料始终是人们改善生活的 一种工具。材料是一种物质，有一定 的形状，有一定的功能。 卢柯（第三届中国青年科学 家奖获得者、中国科学院金属研究 所研究员）：材料可以按照它的化学 组成，分为陶瓷材料、金属材料、有 机材料等等。按照功用，材料也可以 分为结构材料、功能材料两大类。结构材料本身不具有什么特殊 的功能，只是起到一个结构的作用。比如说制造茶杯的玻璃，就 是一个典型的结构材料。功能材料除了结构本身之外，还有特殊 的功能，比如磁性材料，是一块东西，但是同时又具有磁性。 万年的古树绽发新枝 主持人：刚才我们了解了一些共通的概念。下面我们将分学 科进入他们的材料系统。首先让我们进入陶瓷系统。 李建保：陶瓷的发展跟中国是分不开的，作为当时的新材 料，它对中国文明的传播起了非常大的作用。现在不仅在餐具上 有一些结构陶瓷，也已经有了一些功能材料。 我举一个简单的例子，说明陶瓷材料在振兴工业中的巨大 作用。上个世纪70年代中期，日本的汽车技术已经很不错了，但 要打进美国非常难。正好当时美国制定了一个限制汽车污染的 政策，限制汽车尾气的排放。日本人认为这是一个机会，结果他 们用一种陶瓷材料制成传感器，装在发动机里，自动检测和控制 燃烧腔里氧气跟燃烧气体的比例，使排放出来的有害气体大大 减少。这样，日本汽车不仅一下子达到了美国的标准，还超过了 美国的标准，美国要减少城市污染就必须买日本的汽车。从此， 日本汽车走向了世界。 陶瓷传感器件的应用非常广泛。比如说你家里如果发生煤 气泄漏，只要有一丁点儿进入报警器中的陶瓷元件，电路的电阻 就会发生变化，超过一定的量就会自动报警。火灾警报器的原理 也与此类似。 现在手机里面有很多电容、电感、滤波器都是陶瓷材料制成 的。很多夜间发挥作用的指示牌，微弱的灯光一照就发亮了，都 是陶瓷类的氧化物在起作用。我们的父辈如果牙齿坏了，装牙一 定装金牙，那个时候装金牙说明是高技术、高水平。现在则一定 会装陶瓷牙，因为陶瓷牙跟人体的相容性比较好，与骨骼的成分 比较接近，没有发酸的感觉。 金属的脆响穿越时空 主持人：谢谢李教授，他从事的工作让我们古老的陶瓷焕发 青春。下面我们要走进金属世界，请卢柯研究员给我们讲讲金属 纳米材料。 卢柯：讲纳米材料之前 我想先说说金属的特点。实际 上，金属是普及面*广的传统 材料。为什么要用金属？因为 这个东西好。它好在什么地方 呢？ 首先，作为结构材料，它的 综合性**。它又强、又硬、又 很韧。陶瓷非常硬，但是陶瓷的 韧性非常差，如果一个瓷杯子 掉到地上，不碎的情况很少。在 我们使用的材料当中，我们需 要的不单单是一个性能，我们 需要它的综合性，既需要强，又 需要硬。 第二，金属*大的特点是 导电。我们现在所有电能的传 输利用，都是由金属来完成的。 尽管陶瓷的电阻可能在某一个 温度下是超导性*强的，但是 到目前为止。在室温下金属还 是**的导体。 第三，金属是现代工业中成本**的一种材料。这个当然跟 它的资源有关系，跟整个生产工艺有关系。我们已经研究了上百 年的金属材料，我们知道怎么样把成本降到**。 再回过来说纳米的问题。纳米只是一个简单的长度单位，为 什么今天几乎全世界的人都在关注这样一个尺度呢？问题的核 心在于，纳米尺度是一个非常特殊的尺度，是介于宏观尺度跟极 微观尺度之间的状态。这个介乎中间态的世界是大家以前认识 *少的。认识得少就好奇，来研究它的首先是科学家。结果不看 不知道，一看吓一跳。把铝的晶粒加工至纳米级，强度比现在的 高强钢还要大，而它的密度只有钢的1／3。这对研究材料的人刺 激非常大。 以前如果我们做材料，想让它硬一点儿得往里面加东西，比 如说加合金元素。你没完没了地加合金元素，跟我们吃药一样， 相互之间会有干扰，强度是提高了，但是其他性能损失了。纳米 材料出现以后，不用加任何东西，这个材料的强度就很高了。所 以从材料的角度讲，纳米材料的出现，给材料科学研究注入了新 的活力，大家可以在纳米尺度下充分发挥自己的想象力。 高分子材料要创“高分” 主持人：有人说，人类经过了石器时代、青铜器时代和铁器 时代，目前正处在塑料时代，以塑料为代表的高分子材料的发展 和应用，是20世纪改变人类生活生产的20项发明之一。下面请 杨桂生研究员给我们讲高分子材料──塑料。 杨桂生（中国科学院化学所研究员、上海杰世杰股份有限公 司董事长）：李教授谈的陶瓷有上万年的历史，卢教授说的金属 也有很远的渊源，我说的塑料只有几十年的历史，它是从第二次 世界大战开始，美国人和德国人合成的有机材料。 现在全世界每年生产的各种有机会成材料超过了两亿吨， 体积是钢铁的两倍，这当中塑料占了大约75％。塑料能在几十年 时间里体积上超过钢铁，主要是由两个因素决定的，其中很重要 的一个是经济因素。生产同样体积材料的投资，塑料是钢铁的 1／3到1／2，塑料的能耗是钢铁能耗的2／3。现在发达国家钢铁 的产量基本已经稳定了，但塑料的产量还在增长。 刚才卢教授谈了很多强度概念。事实上，除了强度以外，密 度也是各种材料的一个重要指标。在一定程度上，工程塑料的强 度已经超过了钢铁。“以塑代钢”不是老百姓在口头上的表达，在 技术上面的指标也是完全可以实现的。 将来的发展趋势，一个重要的方面是导电高分子材料。2000 年诺贝尔化学奖就是授予了导电高分子材料的发明人。导电高 分子可以做很多结构上面的材料，进一步改变现在的一些产品 的制造方式。有人把这一发明跟爱迪生发明电灯相提并论。 “团结”的力量锐不可挡 李建保：刚才大家分别谈到各自的研究领域，似乎很有一些 对立的味道。实际上，现在复合材料发展是非常迅速的，应该说 比三种单体材料发展的速度更快。我讲的陶瓷也不是纯陶瓷，很 多都是跟金属和有机材料结合的产物。橡胶轮胎要增强耐磨性 和耐火性，就要加陶瓷粉在里面。 大家想一下，贝壳的材料很结实，成分很简单，就是碳酸钙。 海洋里的水生生物用这么简单的成分生产出来的贝壳强度非常 高，为什么？就是把陶瓷和高分子材料结合得非常好。这么简单 的材料用高分子的东西一黏结，一层陶瓷、一层薄薄的高分子， 就形成了我们所看见的贝壳这种高强度的材料。海洋生物都那 么聪明，我们人类为什么就不能？事实上，杨博士已经偷偷把我 的陶瓷粉末加到他的高分子里去了。让各种材料相互融合，取长 补短，始终是我们寻找新途径、开发新材料的一个技术方向。 卢柯：工业发展到现在这种情况下，任何一种材料都不 可能包打天下，需要材料的多 元化。我想正是因为材料的多 元化，才让我们的世界如此丰 富。