第3章 奇妙的科技

为什么贝多芬的头发能制成璀璨的蓝钻

德国作曲家贝多芬一生硕果累累，为世人留下无数珍贵的音乐遗产。在他逝世180年后，三颗由他的头发制成的钻石再度闪耀世间。2007年，美国康涅狄格大学档案馆将收藏多年的一撮贝多芬的头发赠送给了“生命珍宝”公司进行慈善拍卖。该公司随即将其打造成三颗璀璨的蓝色钻石。一颗用于展示，一颗送回档案馆收藏，还有一颗放到网上拍卖，并将拍卖所得款项捐给为重病或者患病晚期儿童实现愿望的慈善组织。

为什么贝多芬的头发能制成美丽的钻石呢？

原来，象征着恒久与尊贵的钻石，几乎完全是由碳元素组成的。而人的头发中也含有碳元素。“生命珍宝”公司的专家在无氧的情况下高温加热了贝多芬的头发，从中提取出纯碳物质。然后将它分成三份，让每份纯碳在大约3000℃、7.07×10⁵帕的环境中放置2周。就这样，乐圣贝多芬的头发变成了三颗总重量为112毫克（0.56克拉）的钻石。

除了头发，人体骨灰中的碳也可以做成钻石。2007年，瑞士一家公司推出了将人体骨灰制作成钻石的服务。人体火化后的骨灰重量一般为2500～3000克，大约500克骨灰就可以制成一颗钻石。这些人造钻石依据大小和切割工艺的不同，售价不一。有些死者家属希望将已故的父亲、母亲或配偶的骨灰变成钻石后永远珍藏起来，作为一个神秘而有意义的永恒纪念物。

头发和骨灰变成的人造钻石和天然钻石——金刚石的成分其实完全一样，都是碳。不同的是，人造钻石首先要把有机物内的碳元素在隔绝氧的高温下提取出来形成纯碳物质，再对它们施以更高的温度和压强，使之结晶成钻石。整个制作过程只要6～8周的时间。而金刚石是含有碳的有机物在地下数百千米的地幔中，受到长期的热挤压后变成的，它的形成需要上亿年。

天然金刚石不仅是价值连城的珍宝，而且是天然矿物中硬度最高的物质。人造钻石虽然价值与天然金刚石相去甚远，但性质却几乎完全一样，因此被大量地用在机械、地质、石油钻探等行业，用作各种切削刀具、钻头及磨料等。（王茂章）

为什么有些金属有“记忆”能力

通常人们认为，只有人和动物才有“记忆”能力，非生物是不可能有这种能力的。然而，科学家却发现了一些合金也和人一样具有神奇的“记忆”本领。

1963年，美国海军军械研究室在一项实验中需要一些镍钛合金丝，他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。为了使用方便，他们就将这些弯弯曲曲的细丝一根根地拉直后使用。在后续实验中，一种奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般地迅速恢复到原来的弯弯曲曲的模样，而且和原来的形状丝毫不差。经过反复多次实验，每次结果都一样，被拉直的合金丝只要达到一定温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。就好像在“冻”得失去知觉时被改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。

后来，科学家又发现另一些合金体系，如金镉、铜镍、铜铝、铜锌和铁锰系合金等，也有类似的“永不忘本”的“记忆”能力，于是给它们起了个好听的名字——形状记忆合金。除了记忆合金外，科学家在陶瓷中也发现了类似的记忆效应，并将其命名为形状记忆陶瓷。

形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百，即恢复到和原来一模一样的形状，更可贵之处在于这种“记忆”本领即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳或断裂。这是为什么？

原来，一般金属材料受到外力作用后，会发生弹性变形，达到屈服点，产生塑性变形，压力消除后留下永久变形。但有些合金，在发生了塑性变形后，内部处于一种不稳定的结构，只要对其加热到一定温度，又会转变成原来的稳定结构。这种现象就叫形状记忆效应。

随着科学家对形状记忆合金的深入研究，这种神奇的材料在机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域的新用途被不断地开发出来。（刘岩）

为什么庞大的天线能放进小小的登月舱

20世纪中叶，美国和苏联在空间领域展开激烈竞争。1961年4月12日苏联首位航天员尤里·加加林进入太空轨道后不久，美国也加紧实施雄心勃勃的“阿波罗”登月计划。人类踏上月球，目的在于将月球上的信息传输回地球，再将地球上科学家的指令发到月球，即实现月、地之间的信息沟通。要发送和接收信息，就必须在月球表面安放一个庞大的抛物面形天线。可是，在小小的登月舱内，无论如何也放不下这个庞然大物。当时，这一度成为登月工程中的关键性技术难题之一。

形状记忆合金的发现给这个难题的解决带来了契机，也为这个金属材料领域内的“晚辈”提供了一次施展才华的绝好机会。科学家用当时刚刚发现不久的形状记忆合金制成了抛物面形天线。在宇宙飞船发射之前，先将抛物面形天线折叠成一个小球，这样就很容易装进宇宙飞船的登月舱内了。当登月舱在月球上成功着陆后，取出折叠成球形的天线，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。

1969年7月20日，乘坐“阿波罗11号”飞船登月的美国航天员阿姆斯特朗在月球上踏下了第一个人类的脚印。这位勇士从月球传回了富于哲理的声音：“对我个人来说，这只是迈出了一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步。”阿姆斯特朗在月球上的图像和声音就是通过形状记忆合金制成的天线传输回地面的。（刘岩）

“万能胶”为什么有巨大的黏合力

1942年，美国人哈里·库弗想研发一种枪械瞄准器的清洁剂，谁知阴差阳错，最后他发明的东西化学名称叫“氰基丙烯酸酯”。橡胶、皮革、织物、纸板、人造板、木材、陶瓷、混凝土、金属等许多材料，都可以用这种液体黏合起来，而且十分牢固。因为应用范围如此之广，所以被称为“万能胶”。

据说，在一档电视节目上，库弗曾经用一点点万能胶就把自己和主持人粘在了一起，使劲拉扯都无法解脱开，令电视观众大为惊叹。

“万能胶”为什么有如此大的黏合力呢？原来，氰基丙烯酸酯在空气中水分的作用下会发生阴离子聚合反应，生成有很长“链”的新分子。这些很大的长链分子紧紧缠绕，固结在一起，长链的两侧则深深地嵌入物体表面的空隙，结果就把两个物体牢牢地连接在一起了。除了能黏合住许多物体，库弗发明的“万能胶”还有很多其他优点。比如说，配方简单，不需要各种各样其他试剂的配合，就能够使用；干得快，氰基丙烯酸酯遇空气后很快就会固化变硬，是一种“快干胶”；无需加热，在常温下就能够使用，这给使用者带来很多方便；当然，最重要的特性还是“粘得牢”，那些用万能胶粘住的地方非常牢，有时甚至比原来的物体还要牢固好几倍呢！

当然，库弗发明的氰基丙烯酸酯“万能胶”并不能黏合所有的东西，不过，后来的科学家在库弗发明“万能胶”的启发下，研究开发出了许多性能各异的新“万能胶”，它们或用途广泛，或黏性专一，各自具有很好的用途。（秦浩正）

“骨水泥”为什么能黏合骨头

水泥是建筑上最常用的材料。它种类繁多，组成的原料各不相同，所具有的黏合功能也大不相同。一般所说的水泥，加水后能将石子、沙子和钢筋等黏固在一起，并在空气中变得十分坚硬，形成混凝土。但是，你听说过“骨水泥”吗？

“骨水泥”是骨科手术中常用的医用材料。医生用人造骨替换患者病变骨头时，就要用到“骨水泥”。手术中，医生先将坏死的骨头去除，再将特制的人造骨深深嵌入保留下来的健康骨头中，然后在两者之间密密地填上“骨水泥”。“骨水泥”实际上是一种黏固剂，它遇到特制的液体就会慢慢硬化，将人造骨（如人造关节）与患者自身的骨骼牢牢地黏固在一起，就像真正的水泥那样牢固。有了新骨骼的帮助，患者就能克服病痛，恢复活动功能。

最早用作“骨水泥”的原料是聚甲基丙烯酸甲酯，它也是制造“有机玻璃”的重要材料。（秦浩正）

什么“胶水”可以用于修飞机

修飞机也会用到“胶水”，你相信吗？

当飞机的襟翼表面损伤时，工作人员常常会使用一种名叫环氧树脂的胶黏剂进行修理。工作人员将受损的蜂窝状材料挖去后，直接把环氧树脂填充进去。环氧树脂广泛应用于飞机上许多非金属材料之间或者金属与非金属材料之间的黏合。使用环氧树脂修补飞机，操作简单，花费时间短，但是效果特别好。

其实，为了减轻重量，制造飞机的壳体时也使用了环氧树脂。用特种环氧树脂和碳纤维经高温高压制成的复合材料，强度比钢、铝合金、钛合金都高。由于质量轻、强度高，成了宇航工业的宠儿。中国研发的“神舟”系列飞船的壳体上就使用了这种材料。

确切地说，环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。由于它的分子结构中含有活泼的环氧基团，因此可以与多种类型的物质发生交联反应形成不溶、不熔的具有三维网状结构的高分子聚合物。它具有固化方便、黏附力强、高化学稳定性等优点。

除了用于胶黏剂，环氧树脂还可用作大型输油、输气管道的涂料，制成高强度的热固性塑料，用于干式变压器，以及制成韧性好、抗冲击强度大的环氧树脂混凝土。（秦浩正）

马克杯为什么会变色

人们习惯把带柄的陶瓷杯叫作马克杯。有一种陶瓷马克杯，它的外表是黑色、红色、绿色或其他的颜色，但是往杯中倒入热水时，从下往上，杯子原有的颜色会逐渐褪去，出现一个特别的图案。几分钟后，图案变得清晰。如果杯子里的水凉了，杯子上的图案又会渐渐消失，露出杯子原来的颜色。这究竟是怎么回事呢？

原来，这种会变色的马克杯比普通杯子多了一层用热敏材料制成的感温涂层。热敏材料又称热变色材料，它的颜色会根据温度的变化从有色变为无色，或者从无色变为有色，还可以从一种颜色变为另一种颜色。常见的热变色材料，是由电子给予体（发色剂）、电子接受体（显色剂）和溶剂组成的。显色剂接受发色剂提供的电子而产生颜色反应，溶剂则决定了材料的变色温度。发色剂有三芳甲烷苯酚类和荧烷化合物等，显色剂主要是酚羟基化合物及其衍生物，溶剂大多数为醇类（如正十六醇）。在温度升高时，原子中的电子发生转移，导致有机物的分子结构发生变化，从而实现颜色的改变。这个反应是可逆的，当恢复到原来的温度时，材料分子的结构也恢复到原来的状态，其颜色也会恢复到原来的颜色。

变色马克杯的制作很方便。将热变色材料磨成3～10微米的粉粒，调成水性涂料，先涂在普通的陶瓷杯上，再放进烤箱中，在大约320℃高温下烤制，除去水分和黏结剂，使热变色材料固化在陶瓷杯上。然后把要“印”在杯子上的图片或照片输入电脑，再用特殊的“打印机”打在一张热转印纸上。热转印能把图案印制在各种材质上，具体制作方法是将图案用特制转印墨水印在转印专用纸上，再贴在杯子外表面的热变色涂层上，放进烤箱中，在大约220℃的温度下进行加热转印处理。几分钟后，转印纸上的图片或照片就印在杯子上了，一个特别的变色马克杯也就制成了。当杯子加入热水后，热变色涂层变得无色透明，精美的图片就显现出来了。

感温材料最早是从植物中提取出来的，为获得更多种类的颜色和更高的产量，科学家人工合成了大量的感温材料。不同的感温材料对温度的敏感范围不一样，所以用不同材料做的变色杯随温度变化的颜色也不一样。（章俞之）

为什么铁匠在打造铁器时要“淬火”

铁匠在打造铁器时，先要把它放在炉中加热至赤红，再用铁锤把铁件锤打成需要的形状。过后，铁匠会把高温的半成品放入冷水内，“刺啦”一声，一阵白烟倏然飘起，铁器就成形了。这个过程叫作“淬火”。铁匠打造的工具是否能做到硬而不脆，既够锋利又够韧性，关键就在淬火这道工序上，它决定了铁匠师傅手艺的高低优劣。

淬火是金属热处理工艺中的一种。所谓金属热处理，就是将金属工件放在一定介质中加热到适宜的温度并保持一定时间，然后以不同速度进行冷却。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的使用性能。

淬火的主要作用是提高金属工件的硬度和耐磨度。以钢为例，在淬火时，我们需要把钢加热到一定温度（这个温度叫作“相变温度”）以上，保持一段时间后在水、油或其他无机盐、有机物的水溶液等淬冷介质中快速冷却。在这个过程中，钢的内部结构会发生改变，从一种称为“奥氏体”的状态转变成另外一种叫作“马氏体”的状态（或一种叫作“下贝氏体”的状态）。当然，这种转变是不完全的，也就是说，最后得到的钢中混合了各种不同的状态，而这也正是不同类型的钢材料具有不同的硬度和耐磨度的主要原因。

淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，人们又将淬火后的钢件在某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。回火与淬火常常配合使用，相得益彰。

中国是最早把淬火工艺应用在金属加工中的国家之一。出土文物表明，早在公元前6世纪，中国人就在打制兵器时使用了淬火工艺，从而大大提高了兵器的硬度。（匡志强）

为什么“金属塑料”既坚硬又柔软

我们都知道，金属和塑料是两种有着不同特性的材料。金属的导热和导电性较强，阻燃性好，但易被腐蚀；塑料柔韧性好，重量轻，耐腐蚀，而且在高温下会软化变形，从而能加工成各种形状或造型。金属和塑料之所以会有这些不同的特性，关键在于它们的内部结构不同。金属的原子按一定的规律排列，是典型的晶体；而塑料的内部原子呈无序排列，其结构主要是非晶态或类玻璃态。

那么，金属和塑料是不是就“水火不相容”呢？不是的。早在1960年，科学家就发现，在一定情况下金属内部原子可以进行不规则排列，即形成非晶态金属。不过，这种具有高塑性的金属材料直到2005年才研制出来，这就是“金属塑料”。实现这一突破的是中国科学院的几位科学家，他们发明了一种新型的块状铈基非晶合金材料，它具有低于100℃的玻璃化转变温度。如果把它放在沸水里，会立即变软，因此可以很容易地进行弯曲、拉伸、压缩，呈现各种形状；而当温度恢复到室温后，它立刻又会恢复金属所具有的高强度——其强度接近超高强度的铝镁合金，并具有优良的力学和导电性能。尤其难得的是，还可通过掺杂不同的金属来调节其“转变温度”。这种金属塑料还是目前世界上为数不多的可以达到厘米尺寸的大块非晶体系之一。

金属塑料在理论和实际应用方面都有极大的价值。它能使很多复杂工件的加工制造变得更容易、更便宜，因而获得广泛应用。同时，它也可能是进行纳米、微米级加工的优良材料。它的出现进一步激励人们在这一领域不断探索，研制出更多性能优异的新材料。（匡志强）

为什么有的液体能沿着容器壁向上爬

常言道“人往高处走，水往低处流”。由于地球引力的作用，液体一般都会往更低的地方流动，比如千万条江河都是发源于地势高的山峦，最终流向地势低的大海。

但是有一种液体例外，它可以沿着光滑的墙壁从低处流向高处，它就是“超流体”。与一般液体不同，超流体内部几乎完全没有“黏性”。黏性大小和液体里面的分子之间的吸引力有关，黏性越大代表吸引力越大。水的黏性较小，油的黏性大于水，胶水的黏性大于油。超流体的黏性近似为零。

人类最早发现的超流体是接近绝对零度的液氦。当液氦的温度低于-271℃时，液氦中氦原子之间的相互吸引力就会小到可以忽略，液氦就完全失去了黏性，变成超流体。虽然氦原子之间的吸引力消失了，但是氦原子和容器壁之间的吸附力还存在，这个力可以克服氦原子受到的重力。于是一个有趣的现象发生了，液氦会沿着光滑的容器壁慢慢向上爬，直到爬出容器，然后再沿着容器壁的外表面缓缓流下。黏性大的液体由于内部较大分子间吸引力会凝聚成一团，它与容器壁的吸附力远远不够克服这一团分子的重力，因此不会有液体沿着容器壁向上爬的现象。

在一个U形容器内的超流体会沿着容器壁向外爬，同时容器外的超流体会沿着容器壁向内爬。但是由于容器外的超流体重力势能更高，爬进容器需要的时间更短。因此我们就会看到有更多的超流体从高液面的容器外，慢慢爬到低液面的容器内，于是形成了不需要管子的虹吸现象。

在一个半球形的玻璃容器中装入-271℃的液氦，液氦会沿着容器壁慢慢爬出容器，再从容器外表面慢慢流到容器的底部，变成液滴，然后像眼泪一样一滴一滴地落下。在实验中还可以观察到有趣的“超流喷泉”现象。如在容器内部置一小电炉对液氦超流体稍微加热，超流体会形成一柱异常光滑美丽的小喷泉，这种美景只能在超流体这种无黏性的液体上看到。（张文卓）

为什么孔雀羽毛如此绚丽多彩

孔雀或许是世界上最色彩斑斓的鸟类。雄性孔雀拖着长长的尾羽，根根羽毛尾部缀着由蓝、绿、黄、棕等颜色的羽小支组成的“眼圈”，开屏时反射出鲜艳夺目的光泽。孔雀羽毛绚丽色彩的来源曾引起了胡克、牛顿、迈克耳孙等科学巨匠的极大兴趣。

自然界的色彩主要通过两种途径产生：一种是色素色，另一种是结构色。色素色是最普遍也是最常见的颜色，来源于色素有选择地吸收某些颜色的光，反射或散射其他色彩的光。而结构色的起源与色素色完全不同，是由自然光与光学结构的相互作用而产生的干涉、衍射或散射效应造成的，它的特性是虹彩效应，即随着观察角度变化其色彩也会相应改变。孔雀羽毛的色彩就是一个典型的例子。

用电子显微镜观察孔雀羽毛不同色彩羽小支的微观结构，就会发现羽小支的皮层是有序的光学结构，由角蛋白基底镶嵌周期排列的黑色素小柱子阵列构成，中间还有空气小孔阵列。

不同颜色羽小支中的光学结构很相似，主要的差异是黑色素小柱子之间的间距不同。蓝色、绿色、黄色和棕色羽小支中黑色素小柱的间距分别约为140、150、160和185纳米；就是这小小的差异导致了不同的颜色。这种光学结构（又称为“光子晶体”）会产生干涉和散射的联合效应，形成多种色彩。如呈现绿色的羽小支中是因为它对绿光有很强的反射作用，其余颜色光都可以透过。

孔雀羽毛还具有虹彩效应，如果我们斜着观察，会发现色彩发生蓝移现象，如绿色羽毛变成了蓝色，黄色羽毛变成了绿色。这种虹彩效应是由于羽小支中的光学结构对光的选择性反射使色彩随着观察角度变化相应发生了蓝移。

孔雀羽毛调控色彩的策略非常精妙，即利用羽小支皮层的光学结构，稍微变化其结构参数就可获得不同色彩的结构色。结构色具有色素色没有的美妙特性，如虹彩色泽、高亮度和色彩饱和度，改变结构就可改变颜色并永不褪色等。因此，结构色在生物仿生制备新型环境友好颜料、显示等领域有重要的应用前景，也为科学家研制新型的光子结构材料和器件提供了灵感。（资剑）

为什么心脏会产生心电图

心电图的产生，要从生物电现象说起，这种现象很早就被发现了，真正理解它却没有多长时间。

公元前4世纪古希腊学者亚里士多德就观察到电鳐在捕食时先对水中动物施加电击，使之麻痹。古希腊、古罗马人曾用黑电鳐的电击治疗风痛、头痛。但直到18世纪电学建立之后，人们才逐步认识动物放电的性质。1786年意大利医生加尔瓦尼发现，如用两种金属组成的回路把新制备的蛙的神经肌肉连接起来，马上会使肌肉抽搐、抖动，他指出这是因为神经肌肉组织具有内在形式的电流。但意大利科学家伏打认为青蛙腿抖动是因为接触电位差而导致，建立了金属接触电动势理论，从而发明了能产生稳定电流的伏打电池。两人对于青蛙腿抖动的原因争执了很长时间。

1842年，意大利生理学家马泰乌奇证明青蛙心脏收缩伴随有电流，才最终平息了加尔瓦尼与伏打的争论，也由此发展出了心脏电生理学。科学家对于心脏的电活动进行了长期的探索。1908年，荷兰医生爱因托芬证明了心率、呼吸对于心电图的影响，提出心电图可用于临床诊断。第二次世界大战之后，随着电子仪器的快速发展，心电图才在医学上得到大规模应用。

200多年的探索表明，电在生物体内普遍存在。生命过程的实质就是电子传递的过程，特别是能量转换、神经传导、光合作用、呼吸过程。心电图只是其中最常见的一个例子。

整个心脏的心肌细胞的兴奋具有时间性和空间性，从而导致心肌不同步收缩。只有这样，心脏才能有条不紊地完成泵血功能。心脏兴奋性的精确传导取决于心脏内的快传导纤维。在某一时刻，心脏的某个部位处于兴奋收缩状态，其余部位处于舒张状态，随着时间的变化，收缩和舒张的部位也发生变化。当我们把电极安置在体表特定部位（如右臂和左腿）时，可以记录到反映心脏不同部位兴奋所表现出电位的总体差异，也就是我们见到的心电图。

如果心脏内部的电位传导机制发生故障，或者心肌某一部分出现损害，这种总体的电位变化规律就会发生改变，体现在心电图中。因此，心电图检查可用于诊断多种心脏的疾病，挽救宝贵的生命。（赵章琰）

为什么“氢海绵”能“吸”氢气

氢气是一种极佳的燃料，但是存储和运输非常困难，还存在着危险。除了可以采用高压气态存储和冷却压缩成液态两种方法外，科学家还发明了将氢气以固态存储的方法。

看不见、摸不着、轻飘飘的氢气居然能变成固体？为什么要把氢做成固体的方式呢？

原来，氢是很活泼的元素，它不仅能够与氧结合生成水，还能与许多金属化合，生成金属氢化物。金属氢化物在受热时，又会分解并释放出氢气。利用这个原理，可以用稀土元素（主要是镧系元素）与过渡元素组成的镧镍类合金或钛铁类合金来与氢结合，这些金属就像海绵吸水一样“吸住”氢气，本身就成了存储氢的“载体”。氢被“固定”在金属中后，储存和运输都变得更方便、更安全了。一旦需要使用，可以随时加热金属，从而释放出氢气。因此，这些具有储氢功能的金属氢化物又被称为“氢海绵”。

除了金属型的“氢海绵”外，还有其他一些储氢方法也正在研究试验中，比如有机化合物储氢、碳纳米管储氢、碳凝胶储氢、玻璃微球储氢、配位氢化物储氢等。无论是哪种方法或材料，其意图都是将气体状的氢固定成为固体的形态。例如，处于科研前沿领域的有机化合物储氢技术，就是利用一些有机液态化合物，如苯，使之和氢结合，在需要时通过“脱氢”技术把氢放出。这些有机液态化合物的储氢本领很大，而且可多次循环使用，寿命长达20年，因此是未来极具发展潜力的储氢方式。（徐超 苏秋成）