奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇

作者简介

佐藤健太郎，1970年出生于日本兵库县，东京工业大学理工学硕士。他曾任医药企业研发人员、东京大学研究生院理学系助教等，现为科普文章撰稿人。2010年，他凭借《医药品危机》（新潮新书）获得日本科学记者奖。2011年，他获得日本化学通讯奖。他著有《碳战争》《改变世界的药物》等。

内容简介

人类的计算机器梦想 当然，基于对正确完成大量计算工作的要求，古代有很多类似神秘机械装置的“计算机器”。诸如算盘、算筹、计算尺之类的单纯性计算工具早已流传于世界各地。除此之外，布莱斯?帕斯卡（1623—1662）和戈特弗里德?威廉?莱布尼茨（1646—1716）等著名数学家也分别发明了滚轮式加法器和莱布尼茨乘法器等计算工具。 开发出现代计算机雏形的人是英国数学家查尔斯?巴贝奇（1791—1871）。当时为了计算船只的航线，必须进行对数运算，可是对数表的误差太大，甚至引发了部分船只失事事件。因此，在1812年，年仅21岁的巴贝奇开始考虑能否用机器计算， 以确保结果的正确性。 可惜他那台被命名为差分机的设备不仅结构过于复杂，而且设计多次变更。他的研究资金很快就用完了。巴贝奇不屈不挠地坚持了20年，最后不得不放弃差分机的研制工作。 1991年，为了纪念巴贝奇诞辰200周年，伦敦博物馆制作了巴贝奇生前未能完成的差分机。最终的成品是一台宽3.4米、高2.1米，由4 000多个零部件构成的巨型设备。测试结果表明，这台机器能正确进行15位数的计算，从而证明了巴贝奇的设计丝毫无误。 人类历史上的首台电子计算机要等到1945年才问世，这台值得载入人类史册的电子计算机被命名为ENIAC（电子数值积分计算机）。它的用途是计算弹道等，以为第二次世界大战提供支持。不过，等它诞生的时候，第二次世界大战已经结 束了。 ENIAC由近1.8万个真空管、7万个电阻和1万个电容组成， 宽约30米、高约2.4米、厚度达到0.9米，是一个总重量达27吨的庞然大物。其中，最具革命性的设计是采用程序控制计算机，可以处理多个领域问题。从这一点来看，它可以称得上是现代计算机的始祖。 虽然这台计算机在当时是耀眼的明星，但是巨大的机身和高额的维持费用，导致它的用途被制约于特殊领域内。这台原始计算机未来进化成能够影响我们生活各方各面的现代计算机，还需要以一种材料为基础，而这种材料便是本章当仁不让的主角——硅（silicon）。 硅元素的历史 虽然硅元素在生命构成当中并没有发挥多大的作用，但是作为一种材料，硅被人类广泛应用，其作用远超其他元素。且不说建筑用石材，包括前文提到的陶瓷的分子构架也以硅原子为主。此外，玻璃也是由1个硅原子与2个氧原子结合成的分子组成，这些分子排列毫无规律可言。 虽然硅在自然界无处不在，可是人类认识它的时间还不到200年。1823年，瑞典科学家贝采利乌斯（1779—1848）才首次分离出了纯净的硅。硅元素的发现时间甚至比发现诸如铑、钯、锇等极微量元素都晚了许多年。 硅迟迟未能进入人类视野的原因与前文中介绍的铝元素的情况类似——硅与氧的亲和性极强，化学键极为牢固。前文中提到岩石与玻璃，在分子结构中硅原子与氧原子互相交错形成网状结构，分离难度极大。因此，获取高纯度的硅非常困难， 必须等到技术、工艺与思路发展到一定水平之后才能实现。 高纯度硅是一种带有银色光泽的固体，往往会令人误以为是某种金属。但是，硅元素的物理特性与金属元素大相径庭，所以被归入了准金属。例如，就导电性来说，硅介于拥有导电性的金属与拥有绝缘性的非金属元素的中间地带。由于具有这种半导体的特殊性质，硅元素成为信息化时代的“元素 之王”。 半导体的秘密 半导体是大家耳熟能详的词汇，虽然大家都知道它的导电性介于导体与绝缘体之间，可未必理解其中真正的奥妙。简单来说，半导体是一种能够通过改变杂质含量或者改变光照方式控制其电导率的物质。 在金属元素本身携带的电子中，一部分可以脱离原子自由移动。只要从任意一个方向得到“召唤令”——施加电压——这些自由电子便会瞬间奔向低电压区域，这样就在金属内部形成了电流。 而在硅晶体内的原子对电子的捕捉能力稍强于金属元素， 使电子无法自由移动，因此纯硅基本上属于绝缘体。对此，可以在纯硅中混入极少量的其他物质，使硅具有导电性。 例如，在硅晶体内添加带电子数少的硼，由于硼原本处于缺乏电子的状态，会形成“电子空穴”状态。一旦施加电压， 临近的电子就会移过去填入空穴，新产生的空穴由其他电子填充，在此连锁反应之下形成稳定的电流。 简而言之，这就是所谓的空穴传输。纯粹的硅晶体内部由于所有的空穴都被电子占满，如同一群人手里都拿着东西，相互之间无法传递物品。加入硼相当于这一群人加了几个空着手的人，就可以迅速将手里的物品（电子）转交给下一个人。这种半导体本身缺乏负电荷，也就是说全体处于正电荷的状态， 被称为P型半导体（p是单词positive的首字母）。 与此相反，假如在硅晶体内加入多带了一个电子的磷元素， 依然可以具备导电能力。不过，由于这种半导体携带的是负电荷，因此被命名为N型半导体（n是单词negative的首字母）。 综上所述，在硅晶体内加入不同种类和比率的杂质，就会形成不同特性的半导体。再将这些半导体进行合理组合，就可以制造出诸如单向导电的二极管、记录信息的存储媒介等多种电子元件。用象棋的棋子打个比方，假如金属元素是只能前行的兵卒，而半导体就相当于棋盘上多了车、马、炮等功能强大的棋子。将这些棋子进行合理布局，就可以像走出精妙的棋局一般生产出复杂而功能强大的电子产品。 跨入锗时代 真正开创半导体时代的材料原本不是硅，而是一种名为锗的元素。前文提到碳元素与硅元素在周期表中同属一列，而锗元素则在下方紧挨着硅元素，三者在性质上自然有许多相同之处。因此，锗元素也为半导体的发展立下了汗马功劳。第二次世界大战后，最早利用锗元素开发出新设备的是美国的贝尔实验室。该实验室原本是属于美国电话电报公司（AT&T）的研究部门。AT&T在全美展开长途电话业务时发现这样一个问题：随着距离的增加，声音信号出现衰减现象，导致双方难以听清通话声，而解决这个问题只能依靠音频信号增幅 设备。 1947年，约翰?巴丁（1908—1991）、沃尔特?布拉顿（1902—1987）和威廉?肖克利（1910—1989）三人首次实现了锗晶体管实用化。最初的产品被称作点接触式锗晶体管，在实用性方面还有极大的欠缺。后来，肖克利又开发出物理特性极其稳定的NPN型晶体管。 第二年， 随着晶体管的技术公开，全世界的技术人员敏锐地捕捉到技术的发展方向。当时所使用的真空管寿命最长不过数千小时，这就导致刚问世不久的ENIAC不得不一天数次更换真空管。然而，新问世的晶体管不仅寿命长、价格低，而且可以做得极为小巧。据当时参与晶体管研究的日本人回忆，看到极其细小的晶体管时，他不由得感到“这是种令人毛骨悚然的 发明”。 晶体管的问世开启了半导体产业兴盛发展的新篇章。成功开发出晶体管收音机的东京通信工业以此为契机， 发展成了名震世界的索尼公司。1960年，电视之所以能登上“娱乐之王”的宝座，晶体管的功劳不可磨灭。而巴丁、布拉顿和肖克利三人也因为发明晶体管的功绩而荣获了1956年的诺贝尔物理学奖。 1. 融科学、历史和趣味性为一体，介绍材料和化学的故事； 2. 黄金、铁、陶瓷、碳酸钙、铝合金、不锈钢、半导体……换个角度看待身边的物质世界 3. 从磁铁和生命起源的关系到造纸术推动宗教改革，从“隐身斗篷”到聚氯乙烯推动音乐产业变革，解读12段改变历史的科学传奇