微晶玻璃:“错”出来的发明

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-03-17

斯图基原以为自己把实验搞砸了。没有想到歪打正着做出了更为有价值的微晶玻璃,可惜这些荣誉他都没法享受了。

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  “这个实验要花两小时,我能做点什么呢?”1952年秋季的一天,在闻名遐迩的美国玻璃制造公司——康宁玻璃厂(注)实验室里,玻璃研究专家唐·斯图基对着柜台上的电炉,自言自语道。

  一块玻璃躺在电炉里。电炉表面的温控仪显示为500℃,比普通玻璃的软化点低100℃。斯图基要做的是,通过实验让普通玻璃软化,并根据软化结果研制新型的感光玻璃。所谓感光玻璃,是指能感光显色的玻璃。这种玻璃经紫外线照射感光后,再经过热处理,便能显示出美丽的影像,不但色彩鲜艳,而且永不褪色。斯图基的上司曾信誓旦旦地讲,感光玻璃将会让康宁玻璃厂的业绩再上一层楼。

感光玻璃(来源于科普中国网)

遇光而变色的感光玻璃(来源于科普中国网)

  斯图基是康宁玻璃厂聘请的专家。由于性格的原因,他与上司相处并不融洽。这或许也是上司不给他配助手的原因之一。比如,他喜欢把自己关在实验室里做实验,上司则希望他多参加会议与活动。前几天,上司给他交待研制感光玻璃的同时,还希望他经常参加公司的会议。斯图基何尝不想参加会议?但他忙不过来。比如,按照工艺规格的要示,感光玻璃热处理时,加热温度为玻璃软化温度以下100℃,保温时间为2个小时左右。这段时间,他原则上不能离开。

  他把一块玻璃放入自动控制温度的电炉中加温。一切准备就绪,他关上炉门,接通电源,电炉开始升温后,他如前文般坐在位上静心观察。

唐·斯图基正在研究玻璃(源于中文网)

唐·斯图基正在研究玻璃(源于中文网)

  “叮—叮—叮!”突然,实验室响起一阵急促的电话铃声。接起来,对方正是斯图基的上司,“斯图基先生,请到三号会议室开一个关于感光玻璃试生产的会议。现在就来。”

  “可是,”斯图基瞄了一眼电炉,“我正在做一个试制感光玻璃的实验,两个小时内无法离开。因为玻璃放进电炉十几分钟了。”

  “电炉不是有自动温控仪吗?”上司语气沉了下来,“难道让几个领导都等着你?”

  “好吧。我马上到。”还是那讨厌的语气!斯图基搁下电话,把温控仪的温度调到550℃后,关上实验室的门,匆匆赶往会议室。

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  一个多小时后,斯图基拖着疲惫的身躯回到实验室。他与上司发生冲突,上司认为他一年多未给公司带来明显的业绩,有浪费资源的嫌疑。斯图基则认为,科学是急不得的。

美国康宁公司一角(网络图)

美国康宁公司一角(网络图)

  “啊?”他看了一眼温控器,大吃一惊。原来,自动温控仪上显示的温度是900℃。“玻璃一般600℃左右开始软化,温度再上升,便进入融熔状态。这块玻璃看来报废了。融浆别把电炉烧坏了呀。”他不由想到。

  斯图基赶紧打开炉门。他再次惊奇了。原来,这块玻璃没有熔融,而是变成了一块奶白色的薄板,直挺挺的躺在炉内。

  “谢天谢地!”当他试图拿出这块薄板的时候,由于钳子未能夹紧,玻璃薄板滑落在地。让他再次惊奇的是,玻璃没有摔碎,而是弹了起来。

  “这是怎么回事?斯图基把这块玻璃放在显微镜下观察,发现有大量的微小晶体。一般玻璃应该与松香、石蜡、塑料等材料一样,内部原子排列是没有规则的,这也是易碎的原因之一。这种玻璃微小的晶体组成,也就是说,它的原子排列是有规律的。这是怎么回事呀?”凭直觉,他认为这是一种前所未见的玻璃。

  “叮—叮—叮!”正当他准备细心研究时,电话铃又响了。接起来,正是魔鬼上司,“邀请”他到办公室交流工作!

  “唉!”斯图基叹了一口气,然后把刚才实验用的玻璃放在样品袋里,写好观察结果,再次离开了实验室。

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  实验后的第三天,由于与上司不和及其它原因,斯图基选择了离开康宁玻璃厂。离开前,从职业角度出发,他把那个玻璃样品袋连同实验报告交给了上司。

  上司是个细心的人。他根据斯图基提供的报告,请了一些玻璃研究人员研制出一新型的有机玻璃,并迅速推向市场。玻璃重量比铝轻,在高温下又不会变形,且强度高于高碳钢,与常规的钠钙玻璃相比则要高出许多倍。康宁玻璃厂的领导经过研究,把这种玻璃称为微晶玻璃。

  一年后,康宁玻璃厂批量生产出微晶玻璃:首先要把原材料按照比例配好,放到窑炉里烧熔,等全部融化之后,把熔液倒在冰冷的铁板上,这叫做淬火淬火之后,原料已经变成了一块晶莹的玻璃,这一步是烧结的过程然后把玻璃捣碎,装入模具,抹平,再次放入窑炉,这次煅烧使它的原子排列规则化,是从普通玻璃到微晶玻璃的转化过程。

晶体玻璃与一般体玻璃示意图(来源新浪网)

晶体玻璃与一般体玻璃示意图(来源新浪网)

  随着科学的发展,科学家们已经研制出1000多种不同成份的微晶玻璃,它们的性能也各不相同。经测定表明,结晶的直径通常不超2微米,只有头发比精细的几十分之一。

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  作为具有发展前途的新型材料,微晶玻璃优于天然石材和陶瓷,可用于建筑幕墙及室内高档装饰,还可做机械上的结构材料,电子、电工上的绝缘材料,大规模集成电路的底板材料、微波炉耐热列器皿、化工与防腐材料和矿山耐磨材料等等。

        由于微晶玻璃既像铝那样轻巧,在高温下又不会变形,所以航空航天工程师看上了它。他们用微晶玻璃来制作喷气式飞机弈动机的喷嘴,以及用作火箭、人造地球卫星和航天飞机的结构材料。

凹形微晶玻璃(网络图)

凹形微晶玻璃(网络图)

  微晶玻璃易于加工,材质均匀,制成后尺寸精确,因此在军事工业中也大有用武之地。例如,利用微晶玻璃来制作导弹头部的防护罩,使导弹在高速飞行过程中能辐射大量的热,从而降低工业温度。因此,军事科学家将微晶玻璃誉为导弹头部的“保护神”。

  最值得一提的是,微晶玻璃对天文学家帮助也很大。原来,反射式望远镜的凹镜是采用普通的光学玻璃制作的,这种玻璃会热胀冷缩,凹镜的准确形状和精度尺寸都会因受气温的影响而发生变化,影响望远镜的观察效果。

  根据微晶玻璃受热胀冷缩的影响极小的原理,科学家们用它来制作望远镜的凹镜,使其精度不至于受气温影响。1978年,我国利用微晶玻璃制成了凹镜直径为2.2米的反射式望远镜。安装在北京天文台,使我国进入了为数不多的能制造大型微晶玻璃凹镜的国家的行列。

微晶玻璃可以用作天文望远镜的镜片(网络图)

微晶玻璃可以用作天文望远镜的镜片(网络图)

  看到这些,当年研制感光玻璃无果,“错”中发明这种新型材料的斯图基,真心后悔离开康宁玻璃厂太早了点吧。

  注释:

        1、 康宁玻璃厂:特殊玻璃和陶瓷材料的全球领导厂商,创造并生产出了众多被用于高科技消费电子、移动排放控制、电信和生命科学领域产品的关键组成部分。1879年,它最先发明并制造出玻璃灯泡,使爱迪生的发明成为现实。1947年,它最先发明并大规模制造出电视显像管,使电视进入千家万户。

  参考资料:

        1、 《101项工作成果》,汉语大词典出版社,20055月。

        2、 《探索化学的迷宫》,中国言实出版社,20065月。

 

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