現(xiàn)代技術問題

【專家解說】：　　1.納米是一個微小的長度單位，1納米等于10億分之一米。根頭發(fā)絲有7萬到8萬納米。納米技術這個詞匯出現(xiàn)在1974年。納米科學、納米技術是在0。10到 100納米尺度的空間內(nèi)研究電子、原子和分子運動規(guī)律及特性。納米材料是納米技術的重要的組成部分，也是國際上競爭的熱點和難點。碳納米管自從1991年被發(fā)現(xiàn)以來，就一直被譽為未來的材料。碳納米管在強度上大約比鋼強100倍，其傳熱性能優(yōu)于所有已知的其它材料。碳納米管具有良好的導電性，在常溫下導電時，幾乎不產(chǎn)生電阻。納米陶瓷材料在1600攝氏度高溫下能像橡皮泥那樣柔軟，在室溫下也能自由彎曲。從1998年世界上第一只納米晶體管制成，到 1999年100納米芯片問世，使20世紀最后10年世界上出現(xiàn)的“納米熱”進一步升溫。 　　我國在納米技術領域占有一度之地，處于國際先進行列。已成功制備出包括金屬、合金、氧經(jīng)化物、氫化物、碳化物、離子晶體和半導體等多種納米材料，合成出多種同軸納米電纜，掌握了制備純凈碳納米管技術，能大批量制備長度為2至3毫米的超長納米管。合成的最細的碳納米管的直徑只有0。33納米，這不但打破了我國科學家自已不久前創(chuàng)造的直徑只為0。5納米的世界紀錄，而且突破了日本科學家1992年所提出的0。4納米的理論極限值?！兜静葑凕S金 ——從四氯化碳制成金剛石》的文章高度評價。最近又研制成功新型納米材料——超雙疏性界面材料。這種材料具有超疏水性及超疏油性，制成紡織品，不染油污，不用洗染。 　　納米技術應用前景十分廣闊，經(jīng)濟效益十分巨大，美國權威機構預測，2010年納米技術市場估計達到14400億美元，納米技術未來的應用將遠遠超過計算機工業(yè)。納米復合、塑膠、橡膠和纖維的改性，納米功能涂層材料的設計和應用，將給傳統(tǒng)產(chǎn)生和產(chǎn)品注入新的高科技含量。專家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通訊設備等領域，將免不了一場因納米而引發(fā)的“材料革命”現(xiàn)在我國以納米材料和納米技術注冊的公司有近100個，建立了10 多條納米材料和納米技術的生產(chǎn)線。納米布料、服裝已批量生產(chǎn)，象電腦工作裝、無靜電服、防紫外線服等納米服裝都已問世。加入納米技術的新型油漆，不僅耐洗刷性提高了十幾倍，而且無毒無害無異味。一張納米光盤上能存幾百部，上千部電影，而一張普通光盤只能存兩部電影。納米技術正在改善著、提高著人們的生活質(zhì)量。 　　2.超導技術的發(fā)展概況 　　1962年，年僅20多歲的劍橋大學實驗物理研究生約瑟夫遜在著名科學家安德森指導下研究超導體能隙性質(zhì)，他提出在超導結中，電子對可以通過氧化層形成無阻的超導電流，這個現(xiàn)象稱作直流約瑟夫遜效應。當外加直流電壓為V時，除直流超導電流之外，還存在交流電流，這個現(xiàn)象稱作交流約瑟夫遜效應。將超導體放在磁場中，磁場透入氧化層，這時超導結的最大超導電流隨外磁場大小作有規(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現(xiàn)為超導體中電子對運動提供了證據(jù)，使對超導現(xiàn)象本質(zhì)的認識更加深入。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和其他電子學應用的基礎。 　　70年代超導列車成功地進行了載人可行性試驗。超導列車是在車上安裝強大的超導磁體，地上安放一系列金屬環(huán)狀線圈。當車輛行進時，車上的磁體在地上的線圈中感應起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。車輛在電機牽引下無摩擦地前進，時速可高達500千米。 　　1987年3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。 　　1987年日本鐵道綜合技術研究所的“MLU002”號磁懸浮實驗車開始試運行 　　1991年3月日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個超導磁體。 　　1991年10月日本原子能研究所和東芝公司共同研制成核聚變堆用的新型超導線圈。該線圈電流密度達到每平方毫米40安培，為過去的3倍多，達到世界最高水準。該研究所把這個線圈大型化后提供給國際熱核聚變堆使用。這個新型磁體使用的超導材料是鈮和錫的化合物。 　　1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金會建造的超導船“大和”1號在日本神戶下水試航。超導船由船上的超導磁體產(chǎn)生強磁場，船兩側(cè)的正負電極使水中電流從船的一側(cè)向另一側(cè)流動，磁場和電流之間的洛化茲力驅(qū)動船舶高速前進。這種高速超導船直到目前尚未進入實用化階段，但實驗證明，這種船舶有可能引發(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革命，就像當年富爾頓發(fā)明輪船最后取代了帆船那樣。 　　1992年一個以巨型超導磁體為主的超導超級對撞機特大型設備，于美國得克薩斯州建成并投入使用，耗資超過82億美元。 　　1996年改進高溫超導電線的研究工作取得進展，制成了第一條地下輸電電纜。歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導體公司和舊金山的電力研究所的工人，共同把6000米長的鉍、鍶、鈣、銅和氧制成的線纏繞到一根保持超導溫度的液氮的空管子上。 　　目前國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢 　　強磁場實驗裝置是開展強磁場下物理實驗的最基本條件。建立20T以上的穩(wěn)態(tài)強磁場裝置是復雜的涉及多學科和高難度的大型綜合性科學工程，其建設費用高，磁體裝置的運行費用也很高。正因為如此，目前國際上擁有20T 以上的穩(wěn)態(tài)磁體的強磁場實驗中心僅分布在主要的工業(yè)大國。世界上第一個強磁場實驗室于1960年建于美國的MIT。隨后，歐州的英國、荷蘭、法國和德國以及東歐和蘇聯(lián)相繼在70年代建立了強磁場實驗室。日本的強磁場實驗室建于80年代初。磁場水平由60年代的20T，提高到80年代的30T。90年代初，美國政府決定在Florida建立新的國家強磁場實驗室,日本在筑波建立了新的強磁場實驗室,強場磁體技術有了長足的進步和發(fā)展，穩(wěn)態(tài)磁場水平近期可望達到40-50T。 　　伴隨著強磁場實驗室的建立，強磁場下的物理研究也在不斷深入。量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)得到了1985 年諾貝爾物理學獎。它是在20T穩(wěn)態(tài)強磁場中研究金屬－氧化物－半導體場效應晶體管輸運過程時觀測到的。近年來，有關強磁場下物理工作的文章對每個強磁場實驗室來說平均每年都在上百篇，其中有很多重要的科學發(fā)現(xiàn)。目前的發(fā)展趨勢普遍是將凝聚態(tài)物理學領域中前沿的研究對象如高溫超導材料、納米材料、低維系統(tǒng)等同強磁場極端條件相結合加以研究。在Grenoble 強磁場實驗室，半導體材料和半導體超晶格中的光電特性以及元激發(fā)及其互作用等是其主要的研究內(nèi)容，而在美國、日本等強磁場實驗室，則側(cè)重在高溫超導材料、低維系統(tǒng)、強關聯(lián)電子系統(tǒng)、人造超晶格以及新材料等方面。同時，強磁場下的化學反應過程、生物效應等方面的研究也逐漸為人們所重視。 　　在中國雖有一些6T-12T的超導磁體分散在全國各地，但尚未形成一個全國性的強磁場實驗中心，我國在10T以上穩(wěn)態(tài)強磁場下的系統(tǒng)的科學研究工作尚屬空白。為滿足國內(nèi)強磁場研究工作的需要，早在1984 年中國科學院數(shù)理學部就組織論證，決策在等離子體物理研究所建立以20T穩(wěn)態(tài)強磁場裝置為主體的強磁場實驗室。該裝置于1992年建成并投入運行。與此同時，實驗室相繼建成了多個能滿足不同物理實驗、場強在15T左右的穩(wěn)態(tài)強磁場裝置，配備了相應的輸運和磁化測量系統(tǒng)以及低溫系統(tǒng)。中國科學院院士、著名物理學家馮端先生在了解了合肥強磁場實驗室的情況后非常感慨地說：過去中國沒有強磁場條件，對有關強磁場下的物理工作連想都不敢想，現(xiàn)在有了強磁場條件我們應該好好的考慮考慮這方面的問題了。 　　3.磁懸浮列車的原理并不深奧。它是運用磁鐵 “同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸浮”。科學家將“磁性懸浮”這種原理運用在鐵路運輸系統(tǒng)上，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車，時速可達幾百公里以上。這就是所謂的“磁懸浮列車”，亦稱之為“磁墊車”。 　　由于磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式，故磁懸浮列車也有兩種相應的形式：一種是利用磁鐵同性相斥原理而設計的電磁運行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它利用車上超導體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產(chǎn)生的相斥力，使車體懸浮運行的鐵路；另一種則是利用磁鐵異性相吸原理而設計的電動力運行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它是在車體底部及兩側(cè)倒轉(zhuǎn)向上的頂部安裝磁鐵，在T形導軌的上方和伸臂部分下方分別設反作用板和感應鋼板，控制電磁鐵的電流，使電磁鐵和導軌間保持10—15毫米的間隙，并使導軌鋼板的吸引力與車輛的重力平衡，從而使車體懸浮于車道的導軌面上運行。 　　磁懸浮列車與當今的高速列車相比，具有許多無可比擬的優(yōu)點： 　　由于磁懸浮列車是軌道上行駛，導軌與機車之間不存在任何實際的接觸，成為“無輪”狀態(tài)，故其幾乎沒有輪、軌之間的摩察，時速高達幾百公里； 　　磁懸浮列車可靠性大、維修簡便、成本低，其能源消耗僅是汽車的一半、飛機的四分之一； 　　噪音小，當磁懸浮列車時速達300公里以上時，噪聲只有656分貝，僅相當于一個人大聲地說話，比汽車駛過的聲音還??； 　　由于它以電為動力，在軌道沿線不會排放廢氣，無污染，是一種名副其實的綠色交通工具。 　　磁懸浮列車是現(xiàn)代高技術的綜合集成，被稱為20世紀最偉大的技術發(fā)明之一。 　　與傳統(tǒng)的輪軌列車相比，磁懸浮列車最大的特點是安靜和平穩(wěn)。由於依靠強大磁力支撐起的車廂，其底部電磁鐵在懸浮系統(tǒng)的控制下與軌道保持有一厘米的間隙，列車運行時是不接觸軌道的，因此，即使列車高速運行，乘客也很難感受到震動，走在車廂內(nèi)就像走在平地上一樣。 　　據(jù)悉，磁懸浮列車的試制應用技術在歐洲和日本起步較早，現(xiàn)在的運行時速已高達450至550公里。 　　技術發(fā)展史 　　1934年，德國人海曼‧開普提出了磁懸浮技術的第一份專利。 　　1969－1984年，德國人造了六代磁懸浮列車。 　　1981年，德國開始修建第一條磁懸浮鐵路，至1987年完工。 　　90年代，由中國西南交大、國防科大牽頭，我國對磁懸浮技術開展了系統(tǒng)研究，并建成了磁懸浮列車模型和樣車。 　　我國第一條磁懸浮列車專線將在北京八達嶺風景區(qū)開始建設，往返全程近4公里，預計2002年可正式投入使用。 　　連接浦東國際機場和陸家嘴的上海磁懸浮新干線全長40公里，時速可達400公里，將成為我國第一條“世界級”磁懸浮專線車。