一些值得注意的科学发现

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二氧化碳合成钻石               
                                                                                                                                                                        　　中国首创二氧化碳合成钻石

　　中国科学家在人工合成金刚石（钻石）方面取得重大突破。中国科技大学教授陈乾旺领导的研究组，在摄氏440度的低温条件下，以二氧化碳为碳源，成功地合成了250微米的大尺寸金刚石，首次实现了从二氧化碳到金刚石的逆转变。

　　在显微镜下，人们可清晰地看到所生成的美丽晶体，甚至用肉眼也能看到闪烁的小颗粒。X-射线衍射及拉曼光谱的结果都证实：这些晶粒就是金刚石，它外观无色、透明，可媲美天然钻石。2003年8月3日，国际权威学术刊物《美国化学会志》发表了他们的论文——《低温还原二氧化碳合成金刚石》，在全球学术界引起极大反响。英国、意大利、法国、德国等国各大传媒纷纷对此进行了积极的报道，评价其为“废气中产生的宝石思想”、“从温室气体中收获钻石”、“金刚石来源于稀薄空气”。

　　陈乾旺教授领导的研究组经过不断创新和摸索后认为：地球上有大量的二氧化碳和碳酸盐，并且地球内的气氛是还原性的，天然金刚石很有可能来源于二氧化碳。他们自己研制高压反应釜进行实验，用安全无毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为还原剂，在440摄氏度和800个大气压的条件下，经过12个小时的化学反应，成功地将二氧化碳还原成了金刚石。目前，在实验室已生长出1.2毫米的金刚石，有望达到宝石级。

　　陈教授介绍说，CO2转化金刚石的产率达8.9%，在显微镜下，人们可清晰地看到所生成的美丽晶体，甚至用肉眼也能看到闪烁的小颗粒。X-射线衍射及拉曼光谱的结果都证实：这些晶粒就是金刚石，它外观无色、透明，可与天然金刚石媲美。据介绍，该工艺重复性很好，用其它碳源和还原剂也取得了成功，有关结果日前已申请国际专利。该成果必将对天然金刚石的开采业带来极大的挑战?

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化学前沿

　　1.二氧化碳变钻石

　　钻石向来是宝石界的老大，除了象征爱情之外，由于其特有的硬度和高折射率，在加工和光学上也有广泛的应用。然而由于天然藏量不丰，人们一直致力于人工制造钻石的研究上。在七月底的JACS上，合肥中国科学技术大学的ZhengsongLou等人发表了利用二氧化碳制造高品质钻石的方法。

　　传统的方法中，须使用极高的温度及压力，甚至是利用ＴＮＴ炸药爆炸的威力来制造钻石；另一些方法可不使用如此高的压力，例如化学气相沉积或是以钠还原四氯化碳等，但生制出的钻石颗粒极小，多在1μm以下，应用价值较低。

　　在新发表的方法中，ZhengsongLou等人使用安全无毒的二氧化碳作为碳的来源，并使用金属钠作为还原剂；实验的条件设定在摄氏440 度800大气压，在这样的条件下二氧化碳会形成超流体，极性增加，有助于吸附在钠的表面，加速电子自钠传递至二氧化碳的过程。在12小时之后，约有 16.2%的二氧化碳被还原为钻石和石墨，钻石则占8.9%。X光绕射光谱及拉曼光谱的结果证实了生成的是高品质的钻石结晶。电子显微镜下可以清楚看到所生成的钻石结晶，大小约在数十到100μm，最大者可达到250μm。

　　实验还发现，当温度降低至400度时，即没有钻石的生成，当压力下降时，生成物也主要以石墨为主；另外，此反应在一低压进行，甚至低于热力学容许钻石生成的压力下限，详细的原因以及反应机构仍待进一步的研究。

　　2.怎样认识"可燃冰"？

　　就在人们担心化石能源将被耗尽时，科学家发现我国南海海域某些部位有可能埋藏着大量可燃烧的"冰"，其主要成分是甲烷与水分子（CH4?H2O），学名为"天然气水合物"，这无疑给未来的能源需求带来了福音，引起了人们的广泛关注。为进一步了解天然气水合物及其战略意义，记者采访了中国科学院院士、中国地球物理学会理事汪集?。

　　"可燃冰"是冰吗？

　　据汪院士介绍，早在上世纪初期30年代，人们发现输气管道内形成白色冰状固体填积物，并给天然气输送带来很大麻烦，石油地质学家和化学家便把主要的精力放在如何消除天然气水合物堵塞管道方面。直到60年代苏联在开发麦索亚哈气田时，首次在地层中发现了气体水合物，人们才开始把气体水合物作为一种燃料能源研究。此后不久，在西伯利亚、北斯洛普、墨西哥湾、日本海、印度湾等地相继发现了天然气水合物，这使人们意识到天然气水合物是一种具有全球性分布的潜在能源，于是掀起了70年代以来空前的天然气水合物研究热潮。

　　天然气水合物是在一定条件下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质，外观像冰。由于天然气水合物中通常含有大量甲烷或其它碳氢气体，因此极易燃烧，被称为"可燃烧的冰"，燃烧产生的能量比同等条件下，煤、石油、天然气产生的都多得多，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物，污染比煤、石油、天然气等要小得多。我们不难想象，当解决了天然气水合物的开发技术后，我们能用经济有效的手段获取天然气水合物中的甲烷，那么它就可能取代其他日益减少的化石能源（如石油、煤、天然气等），成为一种主要的能源类型。

　　形成条件缺一不可

　　天然气水合物的形成有三个基本条件。据汪先生介绍，首先温度不能太高。第二压力要够，但不需太大。零度时，30个大气压以上它就可能生成。第三，地底要有气源。据估计陆地上20．7％和大洋底90％的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。天然气水合物中的甲烷大多数是当地生物活动产生的。海底的有机物沉淀都在几千几万年甚至更久远，死的鱼虾、藻类体内都含有碳，经过生物转化，可形成充足的甲烷气源。另外，海底的地层是多孔介质，在温度、压力和气源三项条件都具备的情况下，便会在介质的空隙中生成甲烷水合物的晶体。

　　茫茫大地哪里寻？

　　汪院士告诉记者，天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件（低温、高压等）的限制，只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。一般来说，除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常存在水深300－500m以下（由温度决定），主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。

　　从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。这些地区的构造环境由于具有形成天然气水合物所需的充足的物质来源（如沉积物中的有机质、地壳深处和油气田渗出的碳氢气体），具备流体运移的条件（如增生锲和逆掩断层的存在及其所引起的构造挤压，快速沉积所引起的超常压实，油气田的破坏所引起的气体逸散等），以及具备天然气水合物形成的低温、高压环境（温度0－10℃以下，压力10Mpa以上），而成为天然气水合物分布和富集的主要场所。

　　3.怎样认识“可燃冰”？

　　就在人们担心化石能源将被耗尽时，科学家发现我国南海海域某些部位有可能埋藏着大量可燃烧的“冰”，其主要成分是甲烷与水分子（CH4?H2O），学名为“天然气水合物”，这无疑给未来的能源需求带来了福音，引起了人们的广泛关注。为进一步了解天然气水合物及其战略意义，记者采访了中国科学院院士、中国地球物理学会理事汪集?。

　　“可燃冰”是冰吗?

　　据汪院士介绍，早在上世纪初期30年代，人们发现输气管道内形成白色冰状固体填积物，并给天然气输送带来很大麻烦，石油地质学家和化学家便把主要的精力放在如何消除天然气水合物堵塞管道方面。直到60年代苏联在开发麦索亚哈气田时，首次在地层中发现了气体水合物，人们才开始把气体水合物作为一种燃料能源研究。此后不久，在西伯利亚、北斯洛普、墨西哥湾、日本海、印度湾等地相继发现了天然气水合物，这使人们意识到天然气水合物是一种具有全球性分布的潜在能源，于是掀起了70年代以来空前的天然气水合物研究热潮。

　　天然气水合物是在一定条件下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质，外观像冰。由于天然气水合物中通常含有大量甲烷或其它碳氢气体，因此极易燃烧，被称为“可燃烧的冰”，燃烧产生的能量比同等条件下，煤、石油、天然气产生的都多得多，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物，污染比煤、石油、天然气等要小得多。我们不难想象，当解决了天然气水合物的开发技术后，我们能用经济有效的手段获取天然气水合物中的甲烷，那么它就可能取代其他日益减少的化石能源（如石油、煤、天然气等），成为一种主要的能源类型。

　　形成条件缺一不可

　　天然气水合物的形成有三个基本条件。据汪先生介绍，首先温度不能太高。第二压力要够，但不需太大。零度时，30个大气压以上它就可能生成。第三，地底要有气源。据估计陆地上20．7％和大洋底90％的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。天然气水合物中的甲烷大多数是当地生物活动产生的。海底的有机物沉淀都在几千几万年甚至更久远，死的鱼虾、藻类体内都含有碳，经过生物转化，可形成充足的甲烷气源。另外，海底的地层是多孔介质，在温度、压力和气源三项条件都具备的情况下，便会在介质的空隙中生成甲烷水合物的晶体。

　　茫茫大地哪里寻？

　　汪院士告诉记者，天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件（低温、高压等）的限制，只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。一般来说，除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常存在水深300－500m以下（由温度决定），主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。

　　从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。这些地区的构造环境由于具有形成天然气水合物所需的充足的物质来源（如沉积物中的有机质、地壳深处和油气田渗出的碳氢气体），具备流体运移的条件（如增生锲和逆掩断层的存在及其所引起的构造挤压，快速沉积所引起的超常压实，油气田的破坏所引起的气体逸散等），以及具备天然气水合物形成的低温、高压环境（温度0－10℃以下，压力10Mpa以上），而成为天然气水合物分布和富集的主要场所。

　　不为人知的生态系

　　1997年美国科学家在北墨西哥湾观察海底一个天然气水合物露出的大土丘时，看到上面有东西在动，随即他们惊奇地发现了一个稠密的属于新种的蠕虫群落。科学家们认为，天然气水合物在墨西哥湾的大陆斜坡很常见，而这些被他们非正式地称之为冰虫的存在提示了一种以前不为人知的生态系的存在。之后，两名法国科学家对这些蠕虫的进一步详细研究表明，它们应该是Hesiocoeca属中的一个新种。

　　关于这些多毛类蠕虫的一系列非常基本的问题还有待于深入的研究。目前科学家们仅仅只是掌握了进一步研究冰虫的食物供应、早期生活史以及地球化学环境等问题的基本素材。初步的结论是，从各方面看，除了冰虫的栖息地外，它应该是一种非常原始的多毛类动物。但可以肯定的一点是，今后对冰虫洞穴的进一步考察必将得出新的更令人惊讶的认识。

　　开发利用就像一柄“双刃剑”

　　天然气水合物埋藏于海底的岩石中，和石油、天然气相比，它不易开采和运输，世界上至今都还没有完美的开采方案。汪院士解释说，首先是开采这种水合物会给生态造成一系列严重问题。因为天然气水合物中存在两种温室气体甲烷和二氧化碳。甲烷是绝大多数天然气水合物的主要成分，同时也是一种反应快速、影响明显的温室气体。天然气水合物中甲烷的总量大致是大气中甲烷数量的3000倍。作为短期温室气体，甲烷比二氧化碳所产生的温室效应要大得多。有学者认为，在导致全球气候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大10－20倍。如果在开采中甲烷气体大量泄漏于大气中，造成的

　　温室效应将比二氧化碳更加严重。科学家们认为，这种矿藏哪怕受到最小的破坏，甚至是自然的破坏，都足以导致甲烷气的大量散失。而这种气体进入大气，无疑会增加温室效应，进而使地球升温更快。同时，陆缘海边的天然气水合物开采起来十分困难，目前还没有成熟的勘探和开发的技术方法，一旦出了井喷事故，就会造成海水汽化，发生海啸船翻。另外，天然气水合物也可能是引起地质灾害的主要因素之一。由于天然气水合物经常作为沉积物的胶结物存在，它对沉积物的强度起着关键的作用。天然气水合物的形成和分解能够影响沉积物的强度，进而诱发海底滑坡等地质灾害的发生。美国地质调查所的调查表明，天然气水合物能导致大陆斜坡上发生滑坡，这对各种海底设施是一种极大的威胁。天然气水合物作为未来新能源，同时也是一种危险的能源。天然气水合物的开发利用就像一柄“双刃剑”，需要加以非常小心谨慎的对待。在考虑其资源价值的同时，必须充分注意到有关的开发利用将给人类带来的严重环境灾难。

　　研究面临挑战

　　研究表明，“可燃冰”的能源功效非常高，1立方米这种物质中的甲烷含量可达160多立方米。因而，人类如能充分开发利用这种能源，将使人类步入新的能源时代。目前，世界上一些发达国家都十分重视“可燃冰”，美国、俄罗斯、日本甚至还有印度都先后投巨资进行研究。美国总统科学技术委员会专门提出建议研究开发“可燃冰”，参、众两院有千多人提出议案，支持“可燃冰”开发研究，美国目前每年用于“可燃冰”研究的财政拔款达上千万美元。

　　汪院士说，根据地质条件分析，天然气水合物在我国分布也十分广泛，青藏高原的冻土层及南海、东海、黄海等广大海域，都有可能存在。我国对此研究起步较晚，面临的技术难关还很多，比如愈来愈多的管道水合物堵塞给天然气运输带来很大麻烦，造成输气不畅甚至引起更大危害。要解决这些问题，就必须深入分析天然气水合物的物理化学性质，进行水合物复杂系统相平衡研究，分析天然气水合物主要物理化学性质（稳定性、结构、生成的热焓、热容、导热率等）详细研究水合物各相平衡，探索水合物形成和分解的动力学条件，寻求防止水合物形成的抑制剂和阻化技术；进行油?气?水系统中水合物生成的模拟实验。建立预报水合物生成的预警系统，探索管道水合物生成防治和天然气固化技术。

　　目前，天然气水合物的开采方法主要有热激化法、减压法和注入剂法三种。开发的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。针对这一问题，日本提出了“分子控制”开采方案。天然气水合物矿藏的最终确定必须通过钻探，其难度比常规海上油气钻探要大得多，一方面是水太深，另一方面由于天然气水合物遇减压会迅速分解，极易造成井喷。日益增多的成果表明，由自然或人为因素所引起的温压变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。因而研究天然气水合物的钻采方法已迫在眉捷，尽快开展室内外天然气水合物分解、合成方法和钻采方法的研究工作刻不容缓，天然气水合物研究的未来仍面临着挑战。由此可见，“可燃冰”带给人类的不仅是新的希望，同样也有新的困难，只有合理的、科学的开发和利用，“可燃冰”才会真正的为人类造福

　　4.不为人知的生态系

　　1997年美国科学家在北墨西哥湾观察海底一个天然气水合物露出的大土丘时，看到上面有东西在动，随即他们惊奇地发现了一个稠密的属于新种的蠕虫群落。科学家们认为，天然气水合物在墨西哥湾的大陆斜坡很常见，而这些被他们非正式地称之为冰虫的存在提示了一种以前不为人知的生态系的存在。之后，两名法国科学家对这些蠕虫的进一步详细研究表明，它们应该是Hesiocoeca属中的一个新种。

　　关于这些多毛类蠕虫的一系列非常基本的问题还有待于深入的研究。目前科学家们仅仅只是掌握了进一步研究冰虫的食物供应、早期生活史以及地球化学环境等问题的基本素材。初步的结论是，从各方面看，除了冰虫的栖息地外，它应该是一种非常原始的多毛类动物。但可以肯定的一点是，今后对冰虫洞穴的进一步考察必将得出新的更令人惊讶的认识。

　　开发利用就像一柄"双刃剑"

　　天然气水合物埋藏于海底的岩石中，和石油、天然气相比，它不易开采和运输，世界上至今都还没有完美的开采方案。汪院士解释说，首先是开采这种水合物会给生态造成一系列严重问题。因为天然气水合物中存在两种温室气体甲烷和二氧化碳。甲烷是绝大多数天然气水合物的主要成分，同时也是一种反应快速、影响明显的温室气体。天然气水合物中甲烷的总量大致是大气中甲烷数量的3000倍。作为短期温室气体，甲烷比二氧化碳所产生的温室效应要大得多。有学者认为，在导致全球气候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大10－20倍。如果在开采中甲烷气体大量泄漏于大气中，造成的

　　温室效应将比二氧化碳更加严重。科学家们认为，这种矿藏哪怕受到最小的破坏，甚至是自然的破坏，都足以导致甲烷气的大量散失。而这种气体进入大气，无疑会增加温室效应，进而使地球升温更快。同时，陆缘海边的天然气水合物开采起来十分困难，目前还没有成熟的勘探和开发的技术方法，一旦出了井喷事故，就会造成海水汽化，发生海啸船翻。另外，天然气水合物也可能是引起地质灾害的主要因素之一。由于天然气水合物经常作为沉积物的胶结物存在，它对沉积物的强度起着关键的作用。天然气水合物的形成和分解能够影响沉积物的强度，进而诱发海底滑坡等地质灾害的发生。美国地质调查所的调查表明，天然气水合物能导致大陆斜坡上发生滑坡，这对各种海底设施是一种极大的威胁。天然气水合物作为未来新能源，同时也是一种危险的能源。天然气水合物的开发利用就像一柄"双刃剑"，需要加以非常小心谨慎的对待。在考虑其资源价值的同时，必须充分注意到有关的开发利用将给人类带来的严重环境灾难。

　　研究表明，"可燃冰"的能源功效非常高，1立方米这种物质中的甲烷含量可达160多立方米。因而，人类如能充分开发利用这种能源，将使人类步入新的能源时代。目前，世界上一些发达国家都十分重视"可燃冰"，美国、俄罗斯、日本甚至还有印度都先后投巨资进行研究。美国总统科学技术委员会专门提出建议研究开发"可燃冰"，参、众两院有千多人提出议案，支持"可燃冰"开发研究，美国目前每年用于"可燃冰"研究的财政拔款达上千万美元。

　　汪院士说，根据地质条件分析，天然气水合物在我国分布也十分广泛，青藏高原的冻土层及南海、东海、黄海等广大海域，都有可能存在。我国对此研究起步较晚，面临的技术难关还很多，比如愈来愈多的管道水合物堵塞给天然气运输带来很大麻烦，造成输气不畅甚至引起更大危害。要解决这些问题，就必须深入分析天然气水合物的物理化学性质，进行水合物复杂系统相平衡研究，分析天然气水合物主要物理化学性质（稳定性、结构、生成的热焓、热容、导热率等）详细研究水合物各相平衡，探索水合物形成和分解的动力学条件，寻求防止水合物形成的抑制剂和阻化技术；进行油-气-水系统中水合物生成的模拟实验。建立预报水合物生成的预警系统，探索管道水合物生成防治和天然气固化技术。

　　目前，天然气水合物的开采方法主要有热激化法、减压法和注入剂法三种。开发的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。针对这一问题，日本提出了"分子控制"开采方案。天然气水合物矿藏的最终确定必须通过钻探，其难度比常规海上油气钻探要大得多，一方面是水太深，另一方面由于天然气水合物遇减压会迅速分解，极易造成井喷。日益增多的成果表明，由自然或人为因素所引起的温压变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。因而研究天然气水合物的钻采方法已迫在眉捷，尽快开展室内外天然气水合物分解、合成方法和钻采方法的研究工作刻不容缓，天然气水合物研究的未来仍面临着挑战。由此可见，"可燃冰"带给人类的不仅是新的希望，同样也有新的困难，只有合理的、科学的开发和利用，"可燃冰"才会真正的为人类造福

　　5.纳米技术带来减肥新思路

　　想当年，纳米热潮席卷而来的时候，不仅股市里纳米概念一路飘红，就连买大米的都开始买纳米了。时间过去几年，公众对纳米技术的了解逐渐多了一些，笑话少了一些。不过美国科学家最近提出一种所谓利用纳米技术来减肥的新思路，乍听上去颇有点悬乎，不过细细读来，似乎还有那么点道理。

　　根据这种全新的减肥思路，科学家希望能够借助纳米尺度的微小粒子，混入人体细胞释放"虚假信息"，从而"蒙骗大脑"以最终达到减少食量的目的。不过这一思路还停留在构想阶段，科学家正为合成这种微小粒子而努力。

　　据德国科学网站报道，来自美国犹他州立大学的蒂姆?吉尔伯森等人研究发现，对人体摄入食量多少具有重要意义的脂肪受体并非仅仅存在于嘴里，而是存在于身体各处。当人们摄入脂肪的时候，肠道中的脂肪受体会向大脑传输一些信使物质，从而形成饱了的感觉。

　　脂肪受体不很敏感的人很可能要比那些具有敏感脂肪受体的人吃得更多。据此，科学家提出构想，制造一种尺度只有几纳米（１纳米为十亿分之一米）大小的粒子，它们将能轻而易举地透过细胞膜进入细胞，借助在细胞内释放某种有效物质"诱骗"细胞将它们当成脂肪来处理，从而促使脂肪受体向大脑传递脂肪摄入已经很多了的"虚假信息"，在吃了较少食物的情况下就在人体内"营造"出饱胀的感觉。

　　科学家介绍说，微小粒子还应该搭载一些识别分子，确定这些粒子进入人体后只在肠道释放出来。为规避副作用，还应该有效避免可能出现的营养物质摄入不足的情况。但最为困难的，还是选择何种特殊物质来扮演欺骗细胞的角色。科学家表示，他们正在努力寻找微小粒子的最佳构成物质，希望能开辟一个减肥的新天地

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6.决战纳米时代??高科技领域的世界性角逐

　　日前，我国科学家在各国同行中脱颖而出，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能??室温下的超塑性：纳米铜“能屈能伸”达５０多倍而“不折不挠”……新世纪来临之际，一场悄无声息的“战争”早已在纳米领域拉开序幕。

　　一纳米是一米的十亿分之一。自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以０。１至１００纳米这样的尺度为研究对象的前沿学科，这就是纳米科技。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。从９０年代初起，纳米科技得到迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等等。

　　科学家预言，纳米时代的到来不会很久，它在未来的应用将远远超过计算机工业，并成为未来信息时代的核心。

　　正如我国著名科学家钱学森所说的那样，纳米将会带来一次技术革命，从而将引起２１世纪又一次产业革命。

　　科学家为我们勾勒了一幅若干年后的蓝图：纳米电子学将使量子元件代替微电子器件，巨型计算机就能装入口袋里；通过纳米化，易碎的陶瓷可以变成韧性的，成为一种重要材料；世界上还将出现１微米以下的机器甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行定点等。

　　以微电子技术为代表的微米科技，曾经并且正在对世界产生深远的影响。比微米更深入微观世界的纳米将使人类进一步掌握物质的规律，掌握改造微观世界的武器。

　　目前，纳米技术广泛应用于光学、医药、半导体、信息通讯，一年的营业额已经达到５００亿美元。有预测说，到２０１０年，纳米技术的市场容量将达１４４００亿美元。于细微处见神奇，知微见著的纳米科技将彻底改变目前的产业结构，并且孕育着巨大的商机。

　　从大西洋到太平洋，从日本到欧洲，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。

　　最近日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新５年科技基本计划的研究开发重点；德国也把纳米技术列为下世纪科研创新的战略领域，１９家研究机构专门建立纳米技术研究网；美国更是将纳米计划视为下一次工业革命的核心，仅美国政府部门在纳米科技基础研究方面的投资，就将从１９９７年的１亿多美元增加到２００１年的近５亿美元，试图像微电子那样在这一领域独占老大地位。一时间，“纳米热”遍及全球。

　　环球同此凉热，纳米科技在我国也逐渐受到重视。早在纳米科技兴起之时，中科院就紧跟国际水平，用原子“写”出了“中国”和中国地图。近年来，科技部、中国科学院和国家自然基金委等部门纷纷在立项和资金上对纳米研究给予支持。

　　从在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体，到合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，从组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针，到合成出高质量的储氢碳纳米材料……我国科学家纷纷联手，在这一最活跃的前沿科学领域里勇敢搏击，不仅建立了几个纳米材料研究基地，而且取得了一系列令世界为之瞩目的成绩，奠定了我国在这一领域的世界领先地位。

　　为进一步提高在纳米领域的竞争力，中国科学院在知识创新试点工程中，将纳米材料的研究和开发列入首批２０个重大项目之一，并投入２０００多万元予以强力支持，纳米研究的专门机构??中国科学院纳米科技研究与发展中心也在筹建之中。而作为国家科技主管部门，科技部去年就启动了有关纳米材料的国家重点基础研究项目。

　　迄今为止，我国已经建立１０多条纳米材料和技术的生产线，纳米复合塑料、橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用、纳米材料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起。以纳米材料和纳米技术注册的公司达到近１００个，企业家对纳米材料和技术的关注，为纳米技术产业的形成注入了新的活力。

　　纳米热中也有冷思考。曾经搬动原子写“中国”的中科院副院长白春礼院士说：“虽然我国科学家在纳米碳管、纳米材料的若干领域已取得一些很出色的研究成果，但我国在纳米科技领域的总体水平与美、日、欧相比，差距还是很大的。”

　　面对未来，中国科学家充满使命感和紧迫感。“纳米材料的应用和开发，提供了一个千载难逢的大好时机，机不可失，时不再来，我们必须紧紧抓住这次机遇。”国家重点基础研究纳米项目的首席科学家张立德研究员说。

　　面对这场世界性的跨世纪角逐，科学家发出呼吁，我们不能再像微电子技术那样落后他国，应在国家层次上确定纳米科技发展战略，制定我国的纳米科技发展计划。应该坚持“有所为，有所不为”的原则，突出重点，强化支持，并兼顾基础研究、应用研究和开发研究的协调发展。

　　7.世界主要军事科技一览

　　军用微电子技术微电子技术作为当今世界新技术革命的基石，给各行各业带来了革命性变化。微电子技术在军事装备中的应用，实现了军用电子装备的小型化、轻型化、轻量化、高可靠。现代军事技术的迅猛发展，武器装备的巨大变革，在一定意义上就是微电子技术发展和广泛应用的结果。“微电子技术对当今防务的重要性，无异于第二次世界大战的原子弹。”

　　军用光电子技术激光测距、光电火控、光电制导、光电监视、预警、侦察、观瞄、光纤通信等一系列军用光电子技术应运而生并被广泛应用，成为高技术武器装备中必不可少的组成部分。目前，光电子技术领域主要涉及光电子元器件及材料和光电子应用技术两个方面。军用计算机技术军用计算机及其技术的发展和应用，不仅成为现代军事科技、各种军事系统和武器系统研制开发的重要物质基础和技术支柱，而且是现代战争作战指挥、通信联络、后勤保障等诸多决定战争胜负关键因素的依靠和保证，并业已或正在对传统的军事理论和军事观念产生着巨大而深远的影响。当今，计算机技术的发展已进入以缩小化、开放系统网络计算和多媒体计算技术为主要特征的崭新时代，朝着巨型化、微型化、网络化和智能化的方向发展。网络计算、光计算、量子计算、分子计算及生物计算等也均在研究之中。

　　军用通信网络技术第二次世界大战后，军事通信技术有了重大发展，相继出现了散射通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信。60年代后，数据网和计算机网被用于军事通信，提高了通信保障的自动化水平与快速反应能力。80年代开始研究综合业务数字网。在通信联络组织上，注重通信联络的整体保障，形成多手段、多方向的迂回通信。

　　军用新材料技术军用新材料技术是新一代武器装备的物质基础，也是当今世界军事领域的关键技术。金属结构材料、陶瓷结构材料、高分子结构材料和复合材料等结构材料成为制约武器装备发展的瓶颈；隐身材料、防护材料、致密能源材料以及信息智能材料等功能材料成为热门的研究课题。近年来，还出现了结构材料功能化和功能材料结构化的趋势，并形成兼有多种功能的多功能材料。

　　军用制造技术数控机床的大量使用，计算机等新技术的应用，使现代制造技术不断向高新技术方向发展。柔性制造技术的出现更为现代化武器装备的研制和更新换代提供了全新的具有高度灵活性和极强适应能力的方法。目前正开展设计制造一体化技术、并行工程、工业工程、柔性制造单元、分布式数控、柔性制造系统、柔性生产线、精良生产和敏捷制造系统等方面的研究

　　军用动力技术主要是军用飞机发动机、综合式坦克装甲车辆推进系统、水面舰艇及潜艇(核潜艇)的动力技术。

　　军事航天技术军事航天技术的发展，已使战场从陆地、海上和空中延伸到太空。太空已成为军事争夺最激烈的场所，军事航天系统在局部战争中得到了逐步应用，并显示了极大的潜力。被称为第一次“空间战争”的海湾战争，以美国为首的多国部队广泛运用了现已装备的各种军事航天系统，在侦察监视、通信指挥、导航定位等诸方面发挥了决定性作用。到目前为止，各种军事活动对空间系统的依赖性越来越大，外层空间即将成为继陆地、海洋和空中之后的第四战场。

　　军事海洋技术现代科学技术的迅速发展，为军事海洋技术的研究开拓了新的途径。海洋卫星、遥测、遥感、激光、光纤、水下电视、旁侧声纳、深潜器、饱和潜水等新技术在海洋开发中的应用，对海洋现象的认识将不断深化。军事海洋技术的研究将逐步趋于远洋、深海，并重点加强水声技术和海底军事利用的研究。当前和今后一段时间，军事海洋技术的主要研究方向有：海洋环境效应、自主式水下无人智能巡航器技术、海洋信息观测、传输、接收和处理技术、海洋水声技术和海洋遥感遥测技术等。

　　侦察监视技术目前，侦察监视技术的应用范围主要包括预警与监视、战场情报侦察等技术。它所采用的侦察设备器材或系统，主要有雷达、电子探测器、红外探测器、激光探测器、可见光探测器、水声探测器等。

　　伪装与隐身技术伪装的技术措施主要包括：天然伪装、迷彩伪装、植物伪装、人工遮障伪装、烟幕伪装、假目标伪装、灯火与音响伪装等。这些伪装技术措施，含有越来越多的高技术成分，而且能够起到重要作用。

　　自80年代以来，隐身技术逐渐成熟并达到了实用化水平，并且其发展势头相当迅猛，如美国的隐身战斗机技术。

　　精确制导技术目前，精确制导技术主要包括遥控制导(红外、毫米波、激光、可见光成像等)、寻的制导、惯性制导、(地形或景象)匹配制导、卫星制导、(多模)复合制导等技术，已研制出导弹、制导炸弹、制导炮弹、制导地雷和末敏弹药等精确制导武器。包括战略战术弹道导弹、巡航导弹等在内的各种精确制导武器的研制成功并用于作战，已对现代战争产生了重大影响。

　　电子战、信息战技术电子战的主要技术领域有雷达对抗、通信对抗、光电对抗以及水声对抗。

　　信息战是在信息领域进行的作战或采取的对抗行动。信息战技术及作战方式正在研究和发展之中，主要包括指挥与控制战、情报战、电子战、心理战、 “黑客”战、经济信息战及电脑战或网络空间战。一是利用计算机病毒和“黑客”等对计算机网络的攻击技术和相应的防御技术；二是以改进或发展了的电子战技术为基础而形成的技术，如新型反辐射武器和电磁微波武器等。

　　一体化C4ISR系统技术自20世纪60至70年代起，为使指挥控制实时高效，世界主要国家军队纷纷着手开发C3I系列，即 Command(指挥)、Control(控制)、Communication(通信)和Intelligence(情报)系统，把情报系统获得的信息通过通信这条生命线用于指挥部队和控制武器装备。80年代后，随着计算机技术的广泛使用，C3I加上了Computer(计算机)，变成了C4I。90年代后进一步发展为C4ISR系统，增加了Surveillance监视和Reconnaissance(侦察)。一体化C4ISR系统是一个集战场感知、信息融合、智能识别、信息处理、武器控制等核心技术为一体、旨在实现军事指挥自动化的综合电子信息系统，它几乎涵盖了战场上所有的军事电子技术功能和装备，受到了世界各军事大国的高度重视。目前这一系统又发展为C4KISR，增加了“Kill”(杀伤)。指挥控制自动化之所以能发展到今天这样一个水平，要得益于DataLink(数据链)的发展。它是整个指挥自动化的“神经中枢”。

　　核、生、化武器技术现在和未来将发生的任何形式的高技术战争都可能是核威慑下的战争。目前，世界上有许多国家掌握了化学武器的研制和生产技术，未来战争还难以排除化学武器的威胁。目前，国外正在研制生物化学战剂和遗传工程武器??基因武器。据称，只需要20克热毒素基因武器，就可以使全球 58亿人死于一旦。

　　8.氧化氮分子-打开生命科学大门的一把钥匙

　　一氧化氮（Nitricoxide）是大家早已熟悉的一个小分子，长期以来，在生命科学中一直没有引起人们的注意。但是，８０年代末，科学家发现，一氧化氮在各种生化过程中，起着关键的作用，具有神奇的生理调节功能。对一氧化氮的研究，迅速发展成为一门目前最活跃的生命科学前沿领域。

　　近期的研究已表明，一氧化氮具有免疫调节、神经传递、血压生理调控和血小板凝聚的抑制等生理功能。在许多组织中，尽管其真正的释放量目前尚难于检测，但已确知会释放出不同浓度的一氧比氮，且浓度的变化与机体的生理机能紧密相关。许多疾病，包括基因突变（癌变，动脉硬化等）和生物机体中毒等，可能是一氧化氮的释放或调节的不正常引起的。进一步的研究还发明，一些药物可以通过新陈代谢来调节一氧化氮的生理机能，使其变成有益的分子，清除机体内有害的代谢物，鉴于一氧化氮的神奇生理调节作用，一旦其神秘的调节机理被科学家们所揭开，人们就可以开发与一氧化氮相关的药物，来治疗许多人类至今无法攻克的顽症，例如高血压、偏头痛、动脉硬化，甚至癌症。可见，与一氧化氮相关的药物，其潜在的价值是巨大的。现在许多国际上有名的药物生产厂家，竞相在这一研究领域，投入大量的人力物力，以期在激烈的竞争中，占领有利的位置。

　　生命科学的迅速发展，主要标志是由宏观描述开始向分子水平和生命过程的研究，它的特点是学科交叉，正如诺贝尔奖获得者 ArthurKornberg教授谈到："分子生物学己突破到细胞化学的边界，但缺少化学方法和训练是不可能打开这个穹窿的。"随着学科交叉的不断发展，化学成了生命科学强有力的工具，化学测量和方法是解析一氧化氮问题关键的一个组成部分。在生命体系中，细胞释放的一氧化氮量是很少的，平均每个细胞仅释放 1～200attomol(1attomol=10-18mol)．如何现场定性和定量检测一氧化氮，向化学家们提出了艰巨而开拓性的任务，首先，Wennmalm等报导了把一氧化氮和牛血清白蛋白共价结合，然后用色谱柱分离，间接测量了一氧化氮的浓度。另外，化学荧光法、质谱、紫外－可见分光法等测量一氧化氮的报导也相继出现，然而，最引人注目的是采用电化学方法测量一氧化氮的报导，特别是卟啉修饰和1，2苯二胺修饰碳纤维微电极，就是该方法成功的两个例子。电化学方法测量一氧化氮具有许多优点，首先，使用的碳纤维电极直径小至２～６ｕｍ，可以对单细胞进行测量；其次，该方法有极高的灵敏度和强抗干扰能力，其检测下限可达到nM(1nM=10-9mol/L)，足于检测单细胞释放的一氧化氮；再次，该方法响应时间低于１０毫秒，可以对细胞释放的一氧化氮进入连续、现场的退踪，且在测量中不会破坏细胞，这种方法已广泛的应用于组织和细胞中一氧化氮的研究，有力地推动了这一领域的研究进展。

　　尽管某些一氧化氮的特殊功能已被确证。但是，科学家们对其神秘的生物化学特性却仍知之甚少，目前的研究已证明，一氧化氮有３种状态存在于生物体系中，包括阳离子形式（NO+）、自由基形式（NO．）和阴离子形式（NO-）。对生物体系中3种形式的不同性质和反应活性的深入研究，可以帮助人们理解其神奇的生理功能。一氧化氮容易和过渡金属离子，包括一些金属蛋白结合形成化合物。它与血红蛋白的相互作用，已得到广泛的研究。L-精氨酸在一氧化氮合成酶的催化下释放一氧化氮，其化学和生理过程十分复杂，值得人们更深入研究。

　　总之，一氧化氮在生物体系中的许多特殊生理功能，已被科学家们所证实。尽管这一领域仍有许多问题等着人们更进一步的深入研究，但是，一氧化氮作为打开神秘生命科学大门的一把钥匙，为人类展示了十分美好的前景。

　　决战纳米时代--高科技领域的世界性角逐

　　日前，我国科学家在各国同行中脱颖而出，在世界上首次直接发现纳米金属的"奇异"性能--室温下的超塑性：纳米铜"能屈能伸"达５０多倍而"不折不挠"……新世纪来临之际，一场悄无声息的"战争"早已在纳米领域拉开序幕。

　　一纳米是一米的十亿分之一。自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以０。１至１００纳米这样的尺度为研究对象的前沿学科，这就是纳米科技。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。

　　从９０年代初起，纳米科技得到迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等等。

　　科学家预言，纳米时代的到来不会很久，它在未来的应用将远远超过计算机工业，并成为未来信息时代的核心。

　　正如我国著名科学家钱学森所说的那样，纳米将会带来一次技术革命，从而将引起２１世纪又一次产业革命。

　　科学家为我们勾勒了一幅若干年后的蓝图：纳米电子学将使量子元件代替微电子器件，巨型计算机就能装入口袋里；通过纳米化，易碎的陶瓷可以变成韧性的，成为一种重要材料；世界上还将出现１微米以下的机器甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行定点等。

　　以微电子技术为代表的微米科技，曾经并且正在对世界产生深远的影响。比微米更深入微观世界的纳米将使人类进一步掌握物质的规律，掌握改造微观世界的武器。

　　目前，纳米技术广泛应用于光学、医药、半导体、信息通讯，一年的营业额已经达到５００亿美元。有预测说，到２０１０年，纳米技术的市场容量将达１４４００亿美元。于细微处见神奇，知微见著的纳米科技将彻底改变目前的产业结构，并且孕育着巨大的商机。

　　从大西洋到太平洋，从日本到欧洲，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。

　　最近日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新５年科技基本计划的研究开发重点；德国也把纳米技术列为下世纪科研创新的战略领域，１９家研究机构专门建立纳米技术研究网；美国更是将纳米计划视为下一次工业革命的核心，仅美国政府部门在纳米科技基础研究方面的投资，就将从１９９７年的１亿多美元增加到２００１年的近５亿美元，试图像微电子那样在这一领域独占老大地位。一时间，"纳米热"遍及全球。

　　环球同此凉热，纳米科技在我国也逐渐受到重视。早在纳米科技兴起之时，中科院就紧跟国际水平，用原子"写"出了"中国"和中国地图。近年来，科技部、中国科学院和国家自然基金委等部门纷纷在立项和资金上对纳米研究给予支持。

　　从在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体，到合成了世界上最长的"超级纤维"碳纳米管，从组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针，到合成出高质量的储氢碳纳米材料……我国科学家纷纷联手，在这一最活跃的前沿科学领域里勇敢搏击，不仅建立了几个纳米材料研究基地，而且取得了一系列令世界为之瞩目的成绩，奠定了我国在这一领域的世界领先地位。

　　为进一步提高在纳米领域的竞争力，中国科学院在知识创新试点工程中，将纳米材料的研究和开发列入首批２０个重大项目之一，并投入２０００多万元予以强力支持，纳米研究的专门机构--中国科学院纳米科技研究与发展中心也在筹建之中。而作为国家科技主管部门，科技部去年就启动了有关纳米材料的国家重点基础研究项目。

　　迄今为止，我国已经建立１０多条纳米材料和技术的生产线，纳米复合塑料、橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用、纳米材料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起。以纳米材料和纳米技术注册的公司达到近１００个，企业家对纳米材料和技术的关注，为纳米技术产业的形成注入了新的活力。

　　纳米热中也有冷思考。曾经搬动原子写"中国"的中科院副院长白春礼院士说："虽然我国科学家在纳米碳管、纳米材料的若干领域已取得一些很出色的研究成果，但我国在纳米科技领域的总体水平与美、日、欧相比，差距还是很大的。"

　　面对未来，中国科学家充满使命感和紧迫感。"纳米材料的应用和开发，提供了一个千载难逢的大好时机，机不可失，时不再来，我们必须紧紧抓住这次机遇。"国家重点基础研究纳米项目的首席科学家张立德研究员说。

　　面对这场世界性的跨世纪角逐，科学家发出呼吁，我们不能再像微电子技术那样落后他国，应在国家层次上确定纳米科技发展战略，制定我国的纳米科技发展计划。应该坚持"有所为，有所不为"的原则，突出重点，强化支持，并兼顾基础研究、应用研究和开发研究的协调发展。

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9.原子能--造福人类

　　无知的代价

　　在本世纪初，人们对镭等放射性物质的危害还一无所知。在美国新泽西州的一家钟表制造店里，女工们用极尖的油漆刷把含镭的油漆涂在手表的针面上。有些女工用嘴唇抿直刷毛，以保持漆刷的尖锐。她们所咽下去的少而又少的一点镭为骨骼所吸收。数年之后，有人因镭中毒而死亡。这是因为对放射性物质的无知而造成的典型的悲剧。其中有些染病的骨骼已被保存在实验室里，供作进一步研究用。

　　随着人类对放射性和原子能认识的加深，特别是原子弹问世以后，大批科学家开始了和平利用原子能的研究。现在人们已经知道，原子能不仅可用来造原子弹，还可以用于发展生产、改善人民生活、减轻人类的痛苦。

　　原子发电不是梦.人们最容易想到的利用原子能的途径就是设计一种原子反应堆，然后利用里面产生的热能发电。但是，用原子能发电要比用传统的方法贵得多。主要不是因为所用的燃料昂贵，而是由于原子能发电厂的建造要十分安全，能够防止射线的逸出。只有在技术条件成熟的情况下，原子能发电厂的造价才会有所降低。

　　从1956年英国女王伊利莎白二世按下开关按钮、世界第一座大型原子能发电厂供电开始，到1965年，英国已有19座原子能发电厂，还有许多座发电厂正在设计过程当中。现在许多国家都有原子能发电厂。

　　当科学家们最早谈起轻便的原子能发电厂时，很多人认为他们是在做梦。今天，有些机动的原子能发电厂，或以车载或以空运送到一个地点，在12个小时之内就可以发动使用。而一磅的铀就相当于6千桶的油料。对于荒凉的北极和南极地区而言，在低于零度的气温条件下，轻便的发电原子反应堆似乎是解决电力和热量供应问题的最好方法。如美国曾用27只大箱子装满原子发电厂的零件，每只重约15吨，送到偏僻的怀俄明山顶，到那里再安装起来，成为一座供雷达使用的中型发电厂。

　　除了发电外，体积较小的原子反应堆还有其他用途，美国1955年下水的第一艘核潜艇"鹦鹉螺号"就是用和高尔夫球一样大小的一块铀推动的。"鹦鹉螺号"第一年在海上航行了几万公里，没有添加任何燃料。

　　原子反应堆在产生大量热能的同时，还能产生大量的中子流。有一些元素在中子流的轰击下能捕捉住其中的一个中子，变成具有放射性的元素。但是，这些元素不是通常所说的放射性元素，它们由于吸收了一个中子才具有放射性，因此人们称它们为人造放射性元素。多了一个中子后，原子的质量也发生了变化，人们又称这些元素为放射性同位素。

　　不管是哪一种放射性元素，其表现都是一样的。它能够持续不断地放射出射线和粒子。放射性同位素正是靠这种表现才身价百倍。

　　原子时代的"福尔摩斯"

　　设想一个窃贼从现场慌忙逃跑。他经过出口，一擦而出，但难免有一点儿几乎无法觉察的油漆附着到他的衣服上，或者可能从偷来的汽车上沾到一点油污，或者从犯罪的现场带走一缕头发。使用原子放射性的活化分析能够鉴定这些微小的东西，而让他们俯首认罪。虽然不同人的头发含有少许相同的成份，但其所有的各种成份的数量却因人而异。

　　活化分析是原子能在工业界最有意思的应用。当某物一经放射性照射，其每一种构成元素都会变为一种同位素，而且每一种同位素都有其独特的放射方式。利用这种方法，科学家可以鉴别物体里的材料种类，以及每一种成份的精确数量。

　　活化分析有两大优点，其中之一就是可在几分钟内准确无误地鉴定物质。若用过去的老方法，可能需要数天甚至数周的时间。

　　放射性同位素可用作一种检查工具，寻找飞机机身损坏的部位，和电气系统联接不良的地方。机身上有些部位不容易达到，但是使用放射性同位素如铯137可以进行检查，而且轻而易举。

　　放射性侦察还可以保护机器操作人员的安全。比如，冲压机操作人员的手可用放射性袖口来加以保护，当他没有及时把手抽出来的时候，机器便因放射线的关系而自动停止下来。

　　有些货箱在脱离生产线的时候，可以用放射性同位素来检查，如果一个货箱装得不好，在货箱经过两边分别设置有同位素和盖革计数器的通道时放射线增加，一只警告灯便亮了起来，或者可以调整机器，使之能适时地剔出包装不良的货箱。

　　放射性在工业上还有一种应用，即检验产品的质量和效果。以肥皂和洗涤剂为例。细菌小而又小，不用显微镜便无法看到它们。不过，如果用放射性同位素来培养细菌，它们都变得有放射性，可以很容易地用盖革计数器测出来。如果为了检查各种肥皂和洗涤剂的清洁能力，把放射性细菌放在衣服上，再各用不同的肥皂和洗涤剂清洗，测量残留的细菌就可以知道每一种肥皂和洗涤剂的好坏。

　　医生的好"帮手"

　　谁都知道，用放射性来治疗癌症是很有效的。美国的医生就曾用一种金制的弹丸，使其具有放射性，然后利用特别的枪把弹丸射入根深蒂固的肿瘤里面。

　　割除癌性肿瘤后，外科医生用具有放射性的钴丝缝合创口，不仅可以起到一般缝合的作用，而且还有放疗杀癌细胞的功能，可谓一举两得。

　　使用放射性可追踪碳原子在生命过程的行踪。如让老鼠吃有放射性碳（碳14）的糖，则通过盖革计数器可侦察到糖的行踪。如果在老鼠的脂肪里找到了放射性的碳原子，就可以判断糖已经转化为脂肪了。

　　放射性同位素有时还帮助医生做出重要的判断。一位妇女在一次意外的事件中压伤了手臂，正躺在一家医院的手术台上等候手术。但是外科医生必须尽快查明她的手臂里是否还有足够的血液循环经过，以便决定要不要做截肢手术。医生把放射性钠，以放射性食盐的形式掺进普通的食盐里面，注进了这名妇女的血管里，然后用盖革计数器进行追踪。结果显示，这条手臂尚有相当充分的血液循环存在。因此在几秒钟内，这种放射性同位素便使医生断定无须做截肢手术。

　　放射性同位素对诊断癌症也很有帮助。哈佛医学院和麻萨诸塞州的许多医院，都在使用一种"正子诊察机"来检查脑瘤，而不必开颅。将少量的放射性砷注射到患者的静脉里，几小时后，带有放射性标签的砷便在盖革计数器上显现出来，并显示出何处砷的数量最多。由于癌瘤比正常的组织吸收较多的放射性砷，在大多数情况下，医生都可以准确地判断癌瘤的大小和位置。而乳癌可以利用放射性钾来诊断，因为放射性钾集中与乳瘤的部分远比其他部位多。

　　显然，放射性不仅可以致人于死地，也能使病人从病痛中解脱出来。农民的朋友随着生物技术的发展，放射性同位素在农业上也有广泛的应用,全美国的农民每年用于肥料上的金钱要超过1000万美元。放射性同位素可以指导他们如何利用这笔投资来获取更大的收益。对于每一种农作物，农民都可以利用放射性同位素确定何种肥料及多大施用量为最合适，并能确定施肥的最佳时机和最佳方法。以前人们一直认为植物所有的养分都是由其根部吸收的，但是利用放射性同位素作示踪剂证明，事实并非如此。果树、番茄、马铃薯以及其他植物的叶也可以迅速有效地吸收肥料。根据这种情况，农民不仅把肥料施用于土地上，也喷洒在叶子上，这样植物对肥料的吸收量大约可增加10倍以上。使用放射性同位素还可以改良植物的品种。

　　科学家很早就知道，物质暴露于放射线之下可以产生变异，并且这种变异可遗传给下一代。目前，利用放射性同位素改良植物的品种已取得很大的进展。放射线使苹果、梨和葡萄等发生突变。利用这些实验，人类可以随心所欲地得到色香味俱佳的水果和蔬菜。更进一步的研究表明，科学家利用放射性进行科学育种，使有些植物可以生长在干旱地带、有些植物可以生长在多雨地区。并且在不远的将来，无论是在高寒地带，还是在土壤贫瘠的地区，都会有适宜的农作物生长。

　　从事植物研究的科学家已经成功地培育出大麦的新品种，该品种大麦的麦粒和麦秆的产量都很高。通过对花生的种子进行放射性处理，能使每亩的产量提高30%。此外，现在培育出适应某种需要的种子只需用一年半的时间，若用传统的植物育种的方法，至少要花费十年的时间，并耗用大量的资金。

　　放射线还是对付害虫的一种武器。雄性螺旋蝇经过钴照射后便不能生育，雌性螺旋蝇与失去生育能力的雄性螺旋蝇交配所产的卵便不能发育成虫。农业科学家已利用这种方法消灭了大量的害虫。

　　对于新问世的动物催肥剂是否对人体有害也可以用放射性做实验。一种新型的供猪和鸡食用的催肥剂给猪和鸡吃了以后，可减慢其甲状腺的功能，从而使猪和鸡在同样食量的情况下，生长得又快又肥。但是，在猪的肌肉里，是否含有这种催肥剂的成份？人吃了这种肉后，是否会对身体健康有影响？在烤鸡和炒蛋里面是否也含有这种催肥剂呢？这是令人担忧的问题。但是，利用放射性实验得出的答案是否定的。农民可以安全地使用这种催肥剂来增加猪和鸡的重量。

　　利用药物可减缓动物甲状腺功能，对人体并不造成任何损害这一原理，科学家还使母牛的性情变得温和起来，并使之产更多的牛奶。

　　我们正步入原子时代，人类走到了十字路口。一条路是把原子能所创造的奇迹用在和平的目的上，以谋求社会的进步。另一条路则通向地球上生命的死亡和毁灭，制造更大的更加可怕的炸弹。我们相信人类会选择前者，而不是后者。

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无坚不摧的晶体--超硬晶体

　　金刚石是目前世界上所发现的硬度最大的物质。金刚石与石墨是同素异型体，都是由碳元素组成。石墨为层状结构；金刚石为立体网状结构，属立方晶系。从成键的角度看，石墨中碳原子采取sp2杂化；金刚石中每一个碳原子和四个C等价结合，采用sp3杂化轨道。通过高温高压的方式，可以将石墨转换为金刚石。

　　钻石彩色闪光的原因是什么呢？众所周知，白光可看成有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光组成。人们将宝石切磨出多个侧面，由于色散的存在，一束白光入射宝石后，会分解出不同的色光，经宝石反射或透射后的白光就会出现五颜六色的彩色闪光，这就是钻石星彩效应的成因。

　　人工合成的金刚石粒度较小，如图中仅半个毫米左右。砂轮与切割机的锯片所要求的金刚石颗粒很小，约几百目，称之为金刚石磨料，所以人工合成金刚石主要应用在工业方面。目前，美国已能合成出两克拉重的金刚石，约5～6mm大小。但因生长条件苛刻，周期长，其成本比天然金刚石还昂贵。

　　金刚石膜的研究是目前比较热门的课题。但是人工金刚石薄膜当前还主要只利用其机械性能，其光学、电学性能尚未得到很好的开发。在电学性能的研究方面，金刚石膜的p型掺杂早已实现，据最新报道，日本科学家通过掺入硫，已实现金刚石的n型掺杂。

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　钻石是自然界中最坚硬的物质。它那夺目璀璨的光芒不知道俘虏了多少女人的心。人们用它传递着爱，传递着永恒的信念。一粒粒晶莹剔透的钻石，都有过或总会拥有一段或悲或喜，或浪漫或哀怨的情事。自然界中的钻石不仅需要高温高压，还要经过数百万年的历练才能形成今天我们看到的纯净透亮的样子。正因为它拥有诸多优异的品质，所以人们才把它看成了爱情和坚贞的象征。可现在的人实在是无所不能啊！俄国的科学家已经能通过人工方法合成出宝石级的钻石了，而且品质与天然的已无差别，现有的任何手段都不能检测出真假来！于是数百万年的演化被浓缩成了数十天，天荒地老成了短短的一瞬！相对低廉的成本和造价有可能冲击今天的钻石市场，或许不久市面上将充斥这种速成的宝石。到那时，人们所看重的长久永恒的品质已不再，钻石还会是人们心中的最爱吗？或许，人们已不在乎它是否经过了熔炼，已不在乎它是否浸淫过风雨，已不在乎它是否被悠悠岁月磨砺过。因为天然的与合成的都是同样美丽，同样闪烁着迷人的光芒！内涵和寓意或许已经不再重要，现代的人要的只是光鲜的表面，现代的人让一切都速成、速配——食物、饰品还有爱情。合成钻石

　　一、合成钻石的历史和现状

　　早在18世纪人们就开始了合成钻石的探索，但直到20世纪，由于热力学及高温高压技术的发展，才使钻石的合成得以实现。1953年瑞士工程公司（ASEA）使用压力球装置首次成功地合成出了40粒小颗的钻石，美国通用电气公司（GE）也于1955年采用压带装置合成出了小颗粒的钻石。此后，工业级钻石的合成技术得到广泛应用，目前几乎三分之二的工业用钻已由合成钻石替代了。但直到1970年宝石级大颗粒的钻石才由美国通用电气公司合成成功。经过近三十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合成的成本仍然很高，不能进行大批量的生产。2000年合成的可切磨的合成钻石只有 3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。

　　到二十世纪九十年代，采用化学气相沉淀法（CVD）合成钻石薄膜，在固相基片如种晶上沉积形成金刚石单晶薄膜或多晶质薄膜，获得的工业用途的多晶金刚石薄膜。2003年，美国阿波罗公司合成出达到宝石级单晶，并开始商业性生产。最近有据报道说，美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的研究人员已能用CVD非常快速地生产出很大的钻石。他们用CVD快速(100μm/h)生产出了10ct、半英寸厚的单晶钻石,差不多有5倍于用一般高压高温合成方法和其它CVD方法商业性生产的钻石。他们还用这种方法生产出了从紫外到红外都是透明的无色单晶钻石。有几个小组已开始用CVD生产钻石单晶,但生产大的无色和无瑕的钻石单晶体始终是个难题。2004年,卡内基的研究人员发现,高压高温热处理不仅能优化CVD钻石的光学性质,而且能提高其硬度。采用新技术后,现今他们已能够用CVD生产出透明的钻石而不再需要高压高温热处理。为了进一步加大合成钻石晶体的尺寸,他们用CVD顺序地在钻石基片的6个面上生长宝石级钻石。他们宣称,用这种方法能够实现英寸级(约300ct)无色钻石单晶的三维生长。

　　二、高温高压种晶触媒法合成钻石

　　（1）合成钻石的原理

　　钻石和石墨是碳的两种同质多像的变体。根据钻石-石墨的相平衡图可知，在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，钻石只有在高温高压下才是最稳定的，在高温高压（相图中钻石稳定区的条件）下，石墨的中的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石。

　　合成钻石的方法主要分静压法、动压法和低压法（即在亚稳定区内生长钻石的方法）。合成工业用钻石主要采用静压法中的静压触媒法，通过液压机产生（4500-9000）X109Pa的压力，以电流加热到1000-2000℃的高温，利用金属触媒实现石墨向钻石的转化。

　　宝石级合成钻石也是采用的静压法，但加入了种晶，所以又称为晶种触媒法。金属触媒的主要作用是降低石墨向钻石转化的温度和压力条件，提高转化率。同时，金属触媒可以作为碳的溶剂。在适当的温度压力条件下，石墨和钻石都可以溶于触媒中，并且，石墨的溶解度大于钻石，当压力升高时，二者的差异也增大。因此，当石墨在金属触媒中溶解达到饱和时，对钻石而言就已经达到过饱和了，此时，钻石容易从触媒中结晶出来。在合成过程中对温度、压力的控制较复杂，晶体生长的时间较长，所以成本比合成工业钻砂高得多。

　　（2）宝石级钻石的合成工艺

　　①带状压机（Belt）：这种装置是美国通用电气公司发明的。通常采用两面顶压机加压，电流通过叶蜡石炉内的碳管电阻加热。所用原料为合成或天然钻砂，还需要2个钻石种晶分别放在2个生长舱的两端。所以一炉只能生长两颗钻石。合成宝石级钻石所用的压力为5.5X109—6X109Pa,温度为 1650℃。圆筒中间温度较高（1650℃），两端较低（1550℃）。碳在中间溶解于金属触媒中，在两端析出于种晶上。生长一颗1克拉的晶体需要60个小时。②球形压机（BARS）：1990年由俄罗斯人发明的，由于独联体的解体，很多技术员把这项技术带到世界各地。目前市场上的宝石级合成钻石基本都是这种方法合成的。

　　B.原料：通常选用天然或合成的钻石粉，石墨及石墨与钻石的混合物作为碳源。

　　C.金属触媒：一般用的是铁镍合金。

　　D.压力舱：用叶腊石作程度柱形舱体，用来放置原料、触媒和种晶。

　　E.种晶：天然或者合成钻石1到2粒。原料在高温高压下溶解于铁镍触媒中，压力舱温度梯度作用下，溶解于触媒中的碳在种晶上结晶出来，生长较大的钻石单晶体。

　　（3）合成钻石的晶形、颜色及类型的控制

　　合成钻石晶体形态主要为立方体与八面体的聚形。合成时的温度对形态有一定的影响。温度较低（1300℃）时，以立方体为主，温度较高（1600℃）时以八面体为主（图7-38）。

　　合成钻石的颜色和类型也可以控制。因为生长舱内充满了空气，空气中含有氮，所以大多数合成钻石都是含孤氮的Ib型钻石。这种钻石多为黄到褐色。如果在反应舱内放一些氮的吸收剂，如锆或铝，则可以获得无色的不含氮的Ⅱa型钻石。如果同时再加入一些硼，则可合成出含硼的蓝色Ⅱb型的钻石。

　　（4）宝石级合成钻石的主要识别特征

　　A.结晶习性：合成钻石常常为立方体、八面体，及二者的聚形(图7-39)，而天然钻石最常见的形态是八面体、菱形十二面体或二者的聚形或三角薄片双晶。

　　B.晶面纹理：合成钻石可显示树枝状、漏砂状或交切状纹理（图7-40），接种面上粗糙不平。天然钻石表面有时可见三角凹痕（图7-41）。

　　C.种晶：存在种晶和种晶幻影区。

　　D.钻石类型：合成钻石为Ib型或者II型，Ib型经高温处理后可成为Ib和IaAB的混合型。

　　E.包裹体：针状、片状、针点状的金属包裹体，大量的金属包裹体使得合成钻石具有明显的有磁性，甚至会导电。图7-42。

　　F.吸收光谱：合成钻石无特征的415.5nm吸收线。大多数天然钻石显示415.5nm的特征吸收线。钻石贸易公司（DTC）推出的钻石光谱鉴定仪（DIAMONDSURE，图7-43）就是通过检测415.5nm的特征吸收线是否存在来帮助区分天然与合成钻石。

　　G.紫外荧光：合成钻石的长波紫外荧光弱于短波，而天然钻石的正好相反。近无色的合成钻石在短波下有明显的磷光，天然钻石无磷光。

　　H.荧光分带图案：合成钻石在短波紫外线下有特征的分带现象，即在立方体与八面体生长方向荧光分布特征，称为“马尔他十字分带”现象，如图 7-44所示。天然钻石则显示年轮状荧光分布。钻石结构荧光鉴定仪（DIAMONDVIEW，图7-45）就是有DTC专门推出用于检测钻石在紫外线下的荧光分布特征的仪器。

　　I.阴极发光：与紫外下荧光分带特征相似。

　　三.化学气相沉淀法(CVD)合成钻石

　　（1）基本原理

　　这种方法是在钻石的亚稳定区，用加热、放电等方法激活碳基气体（如甲烷），使之离解出碳原子和氢原子（或甲基CH3和氢原子），碳原子形成钻石。合成的条件是：约0.1个大气压的CH4+H2混合气体，过高的H2分压易形成石墨，温度800～1000℃，依据等离子体火焰或者灯丝的温度，衬底用钻石晶体，起种晶的作用，生长速度大于1mm/h。

　　（2）合成装置：

　　（3）CVD合成钻石的主要识别特征

　　A.生长特征：具有生长层结构，如平行的异常消光纹。

　　B.钻石类型：CVD合成钻石为Ib型或者含极少孤N的IIa型。

　　C.红外光谱：在753，7354，6856，6425，5564，3323，3123cm-1处有与H有关的吸收峰，经HTHP处理可将其部分除去，只留下3107cm-1的H-C峰。

　　D.紫外荧光特征：未经高温高压处理的CVD钻石具有特征的橙红色荧光（图7-47，内部的种晶是HTHP的合成钻石,发黄绿色紫外荧光,外层是CVD合成钻石,发橙红色荧光。）

　　E.荧光图案：CVD合成钻石的荧光图案具有细致的纹理，尤其是在阴极发光下易于观察到。

　　F.外观特征：切磨的钻石往往呈扁平状,淡褐色到深褐色的体色，但是经HTHP处理后可近于无色。

　　G.拉曼光谱特征和光致发光光谱

　　图7-47CVD合成钻石的

　　紫外荧光特征a.橙色的荧光和细密的生长纹b.经HTHP处理后的呈黄绿色荧光,生长纹不变图7-48CVD合成Ib型钻石的紫外荧光图案
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二氧化碳合成钻石
　　中国首创二氧化碳合成钻石

　　中国科学家在人工合成金刚石（钻石）方面取得重大突破。中国科技大学教授陈乾旺领导的研究组，在摄氏440度的低温条件下，以二氧化碳为碳源，成功地合成了250微米的大尺寸金刚石，首次实现了从二氧化碳到金刚石的逆转变。

　　在显微镜下，人们可清晰地看到所生成的美丽晶体，甚至用肉眼也能看到闪烁的小颗粒。X-射线衍射及拉曼光谱的结果都证实：这些晶粒就是金刚石，它外观无色、透明，可媲美天然钻石。2003年8月3日，国际权威学术刊物《美国化学会志》发表了他们的论文——《低温还原二氧化碳合成金刚石》，在全球学术界引起极大反响。英国、意大利、法国、德国等国各大传媒纷纷对此进行了积极的报道，评价其为“废气中产生的宝石思想”、“从温室气体中收获钻石”、“金刚石来源于稀薄空气”。

　　陈乾旺教授领导的研究组经过不断创新和摸索后认为：地球上有大量的二氧化碳和碳酸盐，并且地球内的气氛是还原性的，天然金刚石很有可能来源于二氧化碳。他们自己研制高压反应釜进行实验，用安全无毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为还原剂，在440摄氏度和800个大气压的条件下，经过12个小时的化学反应，成功地将二氧化碳还原成了金刚石。目前，在实验室已生长出1.2毫米的金刚石，有望达到宝石级。

　　陈教授介绍说，CO2转化金刚石的产率达8.9%，在显微镜下，人们可清晰地看到所生成的美丽晶体，甚至用肉眼也能看到闪烁的小颗粒。X-射线衍射及拉曼光谱的结果都证实：这些晶粒就是金刚石，它外观无色、透明，可与天然金刚石媲美。据介绍，该工艺重复性很好，用其它碳源和还原剂也取得了成功，有关结果日前已申请国际专利。该成果必将对天然金刚石的开采业带来极大的挑战?