据美国1月9日报道,哈佛大学医学院副教授杰弗里卡普与波士顿儿童医院心脏外科医师佩德罗?德?尼多合作研发了一种超级胶水能修补受损的心脏。
目前的创伤手术一般使用手术钉与手术针进行缝合,造成术后修复效果粗糙。而万能胶水在进入血管中的受伤组织后,通过紫外线照射激活胶水中的自由基,形成如橡皮一样的链条,能够抵挡心脏跳动和其他外力产生的压力。实验显示,万能胶水的治疗效果有潜力超过手术钉和手术针。
新手术设备的核心是大脑植入物——一个小探头,每一面拥有96个像头发一样的电极,刺入控制胳膊运动的运动皮层1.5毫米处。该植入物可记录与病人运动意图相关的几十个神经元的脉冲。在进行正式的人体胳臂部肉激活之前,凯斯西储大学已经成功通过大脑芯片控制了虚拟臂部肌肉激活。
这种胶水已成功地在老鼠和猪身上进行了测试,有望在2015年明推向欧洲市场。
微波炉、万能胶、青霉素、橡胶、安全玻璃,这些我们日常生活中已经离不开的东西都是偶然发明的。如今,这些发明已经改变了我们的生活方式。只要问一问这些东西的发明者,你便明白有时运气对一个人的成功有多重要。
1.微波炉
微波炉
发明微波炉的人
微波炉最早的名称是“爆米花和热团加热器”(Popcorn and Hot Pockets Warmer),它的发明纯属偶然,源自一个武器研发项目。微波炉的发明者是美国自学成才的工程师珀西·勒巴朗·斯宾塞(Percy LeBaron Spencer),二战爆发后,他在一家公司从事雷达技术开发。这项技术在当时听起来很像具有科幻色彩,其实只是一种具有探测功能的磁电管,可以发射高强度辐射光束。
显然,就像身边朋友给他起的外号,斯宾塞喜欢吃甜食。他或许还是个奇怪的盲目崇拜者。一天,他在实验室做实验时,一块巧克力棒粘在了短裤上。斯宾塞注意到,当他运行磁控管时,裤子上的巧克力棒融化了。一般人可能认为,是他身上的体温降巧克力融化,斯宾塞没有按照这种逻辑思维去判断这件事,相反,思维敏捷的他给出了一个更为科学的解释:肉眼看不见的辐射光线“将其煮熟了”。
事实上,在场大多数军事专家可能就梦想将这些射线应用到战场上。但是,同科学史上每一位发明家一样,斯宾塞对他的发现充满了好奇,将其作为一种新奇事物看待。他利用这种装置让鸡蛋爆裂,还去烤爆米花。
斯宾塞继续实验磁电管,最后,他用箱子将其包装起来,作为一种烹饪美食的新工具推向市场。最早上市的微波炉大约有6英尺(约合1.8米)高,重达750磅(约合340公斤),做必须用冷水冷却。在之后的岁月里,技术人员不断缩小微波炉的尺寸,今天,微波炉已成为我们日常生活中的一部分。
2.万能胶(Krazy Glue)
万能胶(Krazy Glue)
万能胶的发明还要追溯到1942年。发明者哈里·库弗(Harry Coover)博士当时供职于伊斯曼柯达公司,这是一家享誉全球的照相机及相关产品的知名企业。库弗博士的工作是隔离一种透明塑料,使武器瞄准器的精度更高。在二战期间,这种材料的用途很大。有一段时间,库弗非常沮丧,因为这种称为氰基丙烯酸酯的材料粘性太强了。
有一次,库弗一气之下将氰基丙烯酸酯扔到了窗外,接着继续挥汗如雨进行实验。此时,库弗完全没有意识到他已发明了有史以来粘性最强的万能粘合剂之一。具有讽刺意味的是,库弗用在瞄准镜上的功夫其实白费,因为美国两颗原子弹结束了这场战争,原子弹的爆炸辐射范围如此之广,根本不需要瞄准。
几年以后,库弗重新获得了本属于他的发明,体会到失而复得的狂喜。有人认为或许是库弗注意到过去盛放氰基丙烯酸酯的容器仍旧粘在垃圾桶底部,他想尽一切办法也不能将其取下来,这样,才发现了这种材料的神奇之处。1958年,库弗终于说服老板相信氰基丙烯酸酯蕴含的市场潜力,不久后柯达公司推出了一种名为“伊斯曼910”(Eastman 910)的胶水。
柯达绞尽脑汁去宣传这款产品,公司有人出了一个主意:用吊车将一辆轿车吊在街道上空,让人们误以为是使用“伊斯曼910”的结果。这一招果然收到奇效,人们将这种胶水称为“Krazy Glue”。“Krazy”其实是借用英文“疯狂”(crazy)的意思。“伊斯曼910”早期的广告宣传语是,“记住,在它完全在管子上凝固前,你只能用一次!”时至今日,万能胶仍是畅销产品。
3.硫化橡胶(Vulcanized Rubber)
硫化橡胶(Vulcanized Rubber)
开发出一种坚实耐用足以承受街头飙车和飞车追逐的橡胶,可不像现在一些人想象的那般轻而易举
如果你知道制造轮胎的橡胶是查尔斯·古德伊尔(Charles Goodyear)发明的,你或许并不感到吃惊,毕竟他是这个名单中首位名字与最终发明有联系的人——因为“库弗胶水”(Coover Glue)听上去更像是一种可憎的节育工具。在汽车刚发明出来的那个年月,开发出一种坚实耐用足以承受街头飙车和飞车追逐的橡胶,可不像现在一些人想象的那般轻而易举。
事实上,如果说有谁本应该放弃他一生的梦想,那么这个人就是古德伊尔。古德伊尔曾在监狱度过了一段时间,身边朋友一个个离去而去,他的几个孩子也都过着饥肠辘辘的日子。尽管如此,他仍在不知疲倦地追寻着自己的梦想。那是19世纪30年代,一个饥寒交迫的动荡年代。最初,古德伊尔对原始橡胶经过两年的研究,仍毫无成果,迫于生活压力,只好领着一家老小搬到一个废弃的工厂居住。
正是在这个工厂,古德伊尔获得了重大突破:他采用酸性物质消除橡胶的粗糙表面,令其变得坚实耐用。然而,在政府购买了150个由这种橡胶制作的邮袋后,这种袋子就没有再卖出去。它们都不同程度存在缺陷。古德伊尔再次陷入到孤立无援的绝境。终于,在1839年,好运降临到古德伊尔的头上。
那一年的某一天,在计算等式再次失败后,失落的古德伊尔独自一人走进一个杂货店。见到这位不修边幅的倒霉蛋,人们像遇见新奇的动物一样驻足观看,并对古德伊尔大加嘲笑。一怒之下,古德伊尔挥舞起拳头,他身上带着的一块橡胶此时恰好掉到滚烫的炉子里。古德伊尔在查看了烤焦的橡胶残骸后,他意识到自己终于发现了制造耐用、不受气候影响的橡胶的方法。从古德伊尔的事例,我们可以深深体会到失败是成功之母这句话的含义。古德伊尔的“轮胎帝国”由此诞生了。
4.安全玻璃
安全玻璃
安全玻璃的发明者、法国人爱德华·贝尼迪库斯(Edward Benedictus)是个样样皆通,样样稀松的人
安全玻璃是用于汽车和建筑物上的一种玻璃,具有良好的保障人身安全性能,几乎随处可见。按照常识,安全玻璃破碎时不会形成有尖锐棱角的颗粒,碎片也不飞溅,从而不会对人员造成伤害。安全玻璃的发明者、法国人爱德华·贝尼迪库斯(Edward Benedictus)是个样样皆通,样样稀松的人。在幸运地发明安全玻璃前,贝尼迪库斯已是个有着四重身份的名人——画家、作曲家、作家和化学家。
一天,贝尼迪库斯像克劳西欧探长一样,不小心将一个实验用的烧瓶从架子上碰落,听到它发出一声清脆的响声(我们可以想象他在听到破碎声时发出的惊讶)。贝尼迪库斯顺着梯子爬到下面,发现烧瓶虽已破碎,但并没有四分五散。在向助手谈起此事后,贝尼迪库斯才知道烧瓶里最近放过硝酸纤维素。硝酸纤维素是一种黏合剂,用于将破碎的玻璃粘在一起。
尽管贝尼迪库斯意识到他发现了什么,但他绝没想到这项发现会有这么重要。在对一连串可怕的车祸展开研究后,贝尼迪库斯获得了灵感,他发现这些车祸的受伤者一般都是被挡风玻璃碎片划伤的。之后,他开始潜心研究,最终在一天后发明了Triplex。第一次世界大战期间,防毒面具就取材于贝尼迪库斯的新发明。在发现这种材料经久耐用后,汽车产业开始制造Triplex挡风玻璃。
5.青霉素(盘尼西林)
青霉素(盘尼西林)
以健忘闻名的生物学家亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)爵士虽是历史上最伟大的发明家之一
,却是个出了名的大懒汉。在因发明青霉素出名前,弗莱明偶尔实施了一项实验,这次实验的“素材”竟然是他不小心掉进玻璃培养皿的鼻涕。六年后,弗莱明再次用一个到处充斥着病菌的塑料盘子做实验。他没有清洗散落一地的脏碟子,就离开实验室去度假。
度假归来,弗莱明回到他的实验室,发现一只被他遗忘的玻璃培养皿被一种霉菌污染了,于是就把它扔进了附近的垃圾桶。按照他的个人习惯,在将玻璃培养皿扔进一个满是实验废物的箱子里后,弗莱明仍继续检查他的实验成功。或许,他已决定要将早前扔掉的香肠吃到肚子里。
最终,他在垃圾桶注意到霉菌杀死了周围的细菌。这种霉菌就是青霉素的基本形式,毋庸置疑,也是有史以来医学领域最重要的发现。青霉素是一种高效、低毒、临床应用广泛的重要抗生素。它的发明大大增强了人类抵抗细菌性感染的能力,带动了抗生素家族的诞生。数百万条生命得以获救。
高分子是生命存在的形式,所有的生命体都可以看作是高分子的集合。
在100多年来的诺贝尔化学奖中,有7次颁发给了10位直接或间接对高分子科学发展做出杰出贡献的科学家。由此可见高分子材料是多么的重要。
高分子材料(macromolecular material)是以高分子化合物为基础的材料,由相对分子质量较高的化合物构成。其按来源分为天然、半合成(改性天然高分子材料)和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础,我们接触的很多天然材料通常是高分子材料组成的,如天然橡胶、棉花、人体器官等。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料,并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物,用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期,进入天然高分子化学改性阶段,出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂,标志着人类应用合成高分子材料的开始。现代,高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同,成为科学技术、经济建设中的重要材料;高分子材料按用途又分为普通高分子材料和功能高分子材料。功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外,还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料等。以上两种分类只在此做以系统性的说明,本文着重以高分子材料的特性分类入手对其用途进行阐述。
一般将高分子材料按特性分为五类,即橡胶、纤维、塑料、胶粘剂、涂料。
橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小,分子链柔性好,在外力作用下可产生较大形变,除去外力后能迅速恢复原状,有天然橡胶和合成橡胶两种。天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯;合成橡胶的主要品种有丁基橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶等等。天然橡胶因其具有很强的弹性和良好的绝缘性、可塑性、隔水隔气、抗拉和耐磨等特点,广泛地运用于工业、农业、国防、交通、运输、机械制造、医药卫生领域和日常生活等方面,如交通运输上用的各种轮胎;工业上用的运输带、传动带、各种密封圈;医用的手套、输血管;日常生活中所用的胶鞋、雨衣、暖水袋等都是以橡胶为主要原料制造的,国防上使用的飞机、大炮、坦克,甚至尖端科技领域里的火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等都需要大量的橡胶零部件,目前,世界上部分或完全用天然橡胶制成的物品已达7万种以上,其中轮胎的用量要占天然橡胶使用量的一半以上。相比于天然橡胶,合成橡胶中有少数品种的性能与其相似,大多数与天然橡胶不同,但两者都是高弹性的高分子材料,一般均需经过硫化和加工之后,才具有实用性和使用价值。合成橡胶在20世纪初开始生产,从40年代起得到了迅速的发展。合成橡胶一般在性能上不如天然橡胶全面,但它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能,因而广泛应用于工农业、国防、交通及日常生活中。拿丁基橡胶来说,其用于制作各种轮胎的内胎、无内胎轮胎的气密层、各种密封垫圈,在化学工业中作盛放腐蚀性液体容器的衬里、管道和输送带,农业上用作防水材料。再如合成橡胶中的佼佼者--硅橡胶,它具有良好的电绝缘性、耐氧抗老化性、耐光抗老化性以及防霉性、化学稳定性,且无味无毒,不怕高温、严寒,因此在现代医学中广泛发挥了重要作用,如制造的硅橡胶防噪音耳塞、硅橡胶胎头器吸引器、硅橡胶人造血管、硅橡胶鼓膜修补片,此外还有硅橡胶人造气管、人造肺、人造骨、硅橡胶十二指肠管等,功效都十分理想。
另一种广泛应用的高分子材料便是纤维。纤维分为天然纤纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料,经过纺丝和后处理制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高,一般为结晶聚合物。纤维在各行各业中可算得上是“热门人物”,其最早用于纺织业中,日常生活中的衣物用品大多采用纤维做材料不仅穿得舒服, 且御寒防晒。而如今纤维更大的作用早已不仅停留在日常穿着,它在军事、医用、环保等领域也已有举足轻重的作用。如碳纳米管可用作电磁波吸收材料,用于制作隐形材料、电磁屏蔽材料、电磁波辐射污染防护材料和吸波材料,由于其物质的可降解性,在医用上,聚乳酸或者脱乙酰甲壳素纤维制成的外科缝合线,在伤口愈合后自动降解并吸收,直接避免手术后的拆线;在环保上,聚乳酸作为可完全生物降解性塑料,越来越受到人们重视。在建筑领域上,防渗防裂纤维可以增强混凝土的强度和防渗性能,纤维技术与混凝土技术相结合,可研制出能改善混凝土性能,提高土建工程质量的钢纤维以及合成纤维,前者对于大坝、机场、高速公路等工程可起到防裂、抗渗、抗冲击和抗折性能,后者可以起到预防混凝土早期开裂,在混凝土材料制造初期起到表面保护。另外,随着生物科技的发展,一些纤维的特性可以派上用场,如类似肌肉的纤维可制成“人工肌肉”、“人体器官”等,是人体组织良好的替代材料。
当代生活中,有一种高分子材料更是占据了材料的半壁江山,那就是塑料。塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分,再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料;按用途又分为通用塑料和工程塑料。塑料的应用在生活中随处可见,小到塑料袋、各种机械器具,大到工程、航空,毫不夸张的说,塑料已经成为世界的一部分。抛开其他用途,这里对其最新的应用做以介绍:透明塑料制成整体薄板车顶。薄板车顶的新概念基于透明灵活的聚碳酸酯或硅树脂材料,可以被永久性地塑造成单个的聚碳酸酯薄板,也可作为可折叠铰链和封条。拜耳材料科技研发的原型总共配备了四个灵活的薄板部件,形成了四扇“顶窗”,每扇窗都可单独打开和关闭。导轨用于连接薄板部件,形成一个牢固、透明的聚碳酸酯车顶外壳。一个同样透明的管子沿车顶结构中央纵向放置,在“顶窗”打开后用来调节折叠薄板。这样可以形成三维立体结构,组件比平坦的薄板更加牢固。同时也大大降低了单个组件的数量。用塑料制造车顶为设计者提供了更大的设计空间。他们可以创造三维几何形状,将玻璃液化合物推至最高限值。
胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。胶粘剂的产生很好的解决了聚合物与非金属或金属之间,金属与金属和金属与非金属之间的胶接,尤其对现在工业、工程做出了巨大的贡献。小到家用三秒胶、波纹板、纸袋、标签、胶带、邮票,大到建筑用胶,工业用胶,甚至在飞机机翼或尾翼和机身的粘接中也不乏胶粘剂的身影。与传统的编织织布法、金属的焊接法以及铆接、螺栓或钉接等机械联结法相比,胶粘剂粘接法更快、更经济,并能将不同材料结合在一起,而且当粘接两种金属时,胶粘剂能隔开它们以防腐蚀,同时又可降低装配体的疲劳破坏,并比机械联结更轻更强,因此胶粘剂在生活中的应用也有了渐渐取代传统联接法德趋势。
自从有了文明,便有了装饰,而装饰则必然离不开涂料了。涂料是以聚合物为主要成膜物质,添加溶剂和各种添加剂制得。根据成膜物质不同,分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。习惯上我们也称这几种涂料为油漆,其是装修中的一道必需的菜式。不管是高级装修,或者普通装修,都会和油漆多多少少扯上关系,因此和我们的生活也息息相关。涂料对于被施用的对象来说,它的第一个用途是保护表面,第二个用途是修饰作用。就以木制品来说,由于木制品表面属多孔结构,不耐脏污。同时木制品的表面多节眼,不够美观,而涂料就能同时解决这方面的问题。如今涂料的应用也早已突破传统,延伸到航空航天,军事等更宽的领域,如军事设备所用涂料在保护或掩护被施用者上有着重要作用。
综上,高分子材料业已和我们的生活息息相关。从人类进入天然高分子化学改性阶段出现半合成高分子材料起,到1907年出现合成高分子酚醛树脂,标志着人类开始应用合成高分子材料,再到现代其与金属材料、无机非金属材料同成为科学技术、经济建设中的重要材料,高分子材料必将在各个领域大放光彩,并越来越拥有更重要的作用。
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