书城自然科学自然科学与技术研究方法
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第17章 科学发现与技术发明概述(15)

随后,有关克隆动物的报道接连不断。克隆技术在培育优良畜种和生产实验动物、生产转基因动物、生产人胚胎干细胞用于细胞和组织替代疗法、复制濒危的动物物种,保存和传播动物物种资源等方面已展示出广阔的应用前景。

5)蛋白质工程

后基因组时代将是蛋白质组学时代,即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究,包括蛋白质的结构、功能与应用及蛋白质相互作用关系。蛋白质工程是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上,通过所控制的基因修饰和基因合成,对现有蛋白质加以定向改造、设计、构建,并最终产生出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合社会需要的蛋白质。蛋白质是一切生命活动存在的物质基础和唯一形式,同时也是诊断疾病、治疗疾病的物质基础或药物。人类蛋白质数量不仅远超过基因数量,而且由于蛋白质的可变性和多样性导致了蛋白质研究技术远比核酸技术要复杂和困难得多。因此,人类蛋白质构成了后基因组时代最重要的研究内容,具有无限广阔的前景。蛋白质工程是20世纪80年代诞生的新兴生物技术研究领域,是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程,是包含多学科的综合科技工程领域。蛋白质工程的核心内容包括蛋白质结构分析、蛋白质结构和功能的设计与预测和改造蛋白。在下述领域中的应用比较广泛:提高蛋白质的稳定性、构建融合蛋白、蛋白质活性的改变、治癌药物的改造、嵌合抗体和人源化抗体的制备,等等。当前,蛋白质工程是发展较好、较快的生物工程。这是因为在进行蛋白质分子设计后,已可应用高效的基因工程来进行蛋白的合成。蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就,它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代,为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。蛋白质工程取得的进展向人们展示出诱人的前景。例如,科学家通过对胰岛素的改造,已使其成为速效型药品。如今,生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件,具有体积小、耗电少和效率高的特点,因此有极为广阔的发展前景。

1.6 材料科学与材料制造加工技术的发展历程

1.6.1 材料制造加工技术与人类文明的发展

材料科学与材料制造加工技术的发展,与人类文明的发展息息相关,它标志着人类文明的进步水平,在人类历史发展过程中扮演着重要角色。结合人类的发展历史,了解不同时期材料的制造和加工技术的变化,有助于我们理解材料在人类文明发展中的地位和作用。

当人类早期靠自然界的天然资源来满足自身需求时,也就是人类发展的早期阶段。

这时,自然界的材料、产品和人们拥有的财富几乎都是协调一致的——一个天然物品,既可以成为人们生活或生产的原料,也可以是他们的财富,只是用来满足自身的直接需求。从材料发展的角度来看,天然物品也是生活或者生产中未经任何加工的最终物品,这一时期很少对材料实施精加工。长期以来,随着社会关系的形成与分工程度的不断加深,从自然界中获得的原始材料也日益丰富,为了不断获得更多的消费品和改善居住条件,人们逐渐产生了对原始材料进行加工的愿望。数百万年前,人类开始有目的地使用石头和骨头,它们是人类最早使用和接触到的材料之一。起初人类只是用石头和骨头制成简单、基本的工具来弥补自身如手掌、牙齿等功能的不足,但使用经过加工后的材料或工具大大提升了人类自身的力量,使其在环境斗争中能够获得胜利。人类逐渐开始按照自身的需求对原始材料进行加工,这种能力的获得,完成了一次革命性的转变,使人类超越了动物界。在已经发现的古人类遗址中,可以看到我们祖先在旧石器时代用石头打磨成的石刀、石斧、刮削器等早期使用过的工具。人类是由劳动创造的,劳动又是从制造工具开始的,社会物质生活和人类文明的进步与人类对原始材料的加工能力和劳动工具的获得密不可分。

四五十万年前北京猿人群居于洞穴,他们以狩猎为生,生活维艰,生产力水平低下,所使用的工具主要源于制作粗糙的石头和骨头,且用途尚未分化。考古学家还发现猿人弱肉强食的食人之风。在此时期,其文明程度还没有道德和美的概念。一万八千年前的山顶洞人除了能加工粗糙的石器外,还掌握了磨制和钻孔技术,能制造比较精致的石器和骨器,用骨针把兽皮缝制成衣服。考古学家发现在洞穴中有穿孔的石珠,穿孔的海蚶壳和很多穿孔的象牙。在这一时期,还发现了刮刀、刮板以及利用骨头、象牙、石头和植物编织物制造的鱼叉、鱼钩和鱼网等。从所发现被加工的器具中,可以看出该时代生产水平的提高和人类文明的进步。这个原始时代和史前时期被称为“石器时代”,用一种特殊材料对一个时代命名,充分显示了材料在人类历史上的重要性。

公元前一万五千年到一万年之间形成了早期的农业,农业革命的结果是使原始社会解体。随着生产力水平的提高,人们可以更加精细地对材料进行加工,使之富有实用性和艺术性。约在公元前七千年,形成了游牧部落和农耕社会的社会分工,促进了材料的进一步发展,出现了如罐壶、纺织品和编织品等产品。在劳动生产过程中,劳动力、劳动工具和劳动对象逐渐分离,形成了材料制作的专业分工,这个漫长的演变过程是人工加工材料的诞生时期。

石器的使用大约经历了二三百万年之久。从西安半坡遗址出土的六千多年前的文物和其他史料中可以看到,岩石、陶土和兽骨是半坡人最为熟悉的材料。他们利用磨制的石铲、石刀等工具将骨、角制成针、锥、鱼钩、鱼叉和弓箭,将陶土等制成汲水所用的尖底陶罐、鱼纹彩陶盆等。这些陶钵的沿口处有几十种符号,十分精美。我们的祖先在寻找石料以及加工石器的劳动中,发现了天然铜块(自然铜)。此后,它被广泛采用,而石头作为材料逐渐退居第二位。公元前五千五百到四千年之间,随着生产力的不断发展、灌溉技术的出现和手工业的形成,人类出现了第二次大的社会分工,即农业和手工业的分离,劳动生产率迅速增长,人类进入了一个新的历史阶段。原先一个古代狩猎者,需要20平方公里的猎区才能生存;而以农田为基础的耕农,在相同的面积上则可养活9000人。随着生产力的发展,人们逐步有能力对新材料——铜进行加热、锻打和加工,制成了各种更加坚韧耐磨的器物。起初,人们只是无意识地在铜内加入其他金属,如铅、锌、银和锡而得到合金,但不久便认识到,这些合金具有比纯铜更好的性质。人们发现,用6%-20%的锌制成铜合金具有最佳的效果,这就是青铜,它的诞生标志着一个新的时代——青铜时代——的到来。但青铜时代早期的锤打加工不能满足需求,人们就发明了金属浇铸这一重要的工艺,它主要用于合金成分大于10%的合金。随着青铜熔炼技术的发明,冶金迈入了历史的前列,与之相关的金属切割、成型、焊接等多种金属加工技术也应运而生,生产不同成分的新材料成为可能,进一步推动了社会物质生活水平和人类文明程度的提高。

在五千多年前的仰韶文化遗址中,考古学家们发现了陶制纺轮和骨针,有的陶器上留有麻布纹的痕迹,说明人们已懂得纺织。在商代的甲骨文字中,有不少“车”、“舟”、“帆”字,反映出当时的交通已有相当高的水平。商代的墓葬物中发现了镀锡的铜器和锡、铅、金器,还出土了大量青铜器,包括青铜乐器铜铙。河南安阳出土的重达875千克的商代晚期大司母戊鼎,其精美和壮丽,中外闻名。我国的青铜冶炼始于夏代(公元前2140-前1711年)。进入奴隶社会以后,所使用的劳动工具、武器、食具、货币、日用品和车马装饰,都是用青铜制造的,显示出我们祖先精湛的艺术才能。青铜材料代表一种新的生产力占据了那个时代的历史舞台。

铁的出现使材料的内容更加丰富,它的发现可能与铜矿开采有关。铁的加工曾有两个技术中心,一个在西亚,另一个是中国,直到18-19世纪欧洲工业革命后,欧洲才从数量和规模上超越了这两个中心。根据考古挖掘和现有的文献来判断,铁在公元前12世纪就占据了统治地位。

随着越来越多的手工业者参与金属的开采和加工,铁的加工技术也有了很大进步,少数锻工场掌握了最精良的铁加工和制作技术。古代称之为塞乐铁的淬火技术就是这一技术的体现。人们使用木炭来熔化金属矿石,但因为没有充分的氧气,最高熔炼温度只能达到900℃,因此只能采用在炽热状态下锤打,然后清除熔碴的方法得到干净的锻造铁。

罗马帝国的崩溃及此后许多世纪,社会发展缓慢,技术的发展也受到了限制。直到公元一千年以后才开始了一个新的时代,当时已经可以利用水力代替牲畜和人力作为鼓风机的驱动力,使冶炼达到更高的温度,将铁化为液体并在炉火中加工可锻铁,这就是精炼法。该方法一直持续到18世纪末才被其他新方法所淘汰。

我国比欧洲早1800年左右掌握了冶铁技术,在战国时代,铸铁的生产和应用就有了很大的发展。当时已经可以使用铁模来铸造农具,白口铁、展性铸铁、马口铁等品种也相继出现,进而由铸铁发展到炼钢,并发展了冶炼、浇铸和精密浇铸等3种不同的炼钢方法。这些技术延续发展了一千多年,直到明朝还处于世界领先水平。

材料技术的发展奠定了我国古代繁荣灿烂文化的基础,并为人类文明作出了巨大贡献。

1.6.2 材料技术的应用与社会进步

从石器时代到铁的发现历程,我们不难看出材料的制造加工技术是促进古代社会发展的关键因素之一。在现代,随着新材料的不断涌现,特别是以信息科学、材料科学和生物科学为前沿的新技术革命及新材料的应用,材料科学与加工技术继续推动着当今世界以超越历史任何时期的速度迅猛发展。

21世纪前半期,核能、飞机、汽车、化工和电子计算机的发明及应用,都与材料技术的发展息息相关。放射性材料镭和钋的发现使核裂变成为可能,开启了核能利用的大门;航空材料的发展促进了飞机的革新;塑料、合成橡胶和合成纤维材料的问世,使化工行业面貌一新,有机合成材料工业进入一个崭新阶段;在21世纪初,内燃机材料的突破,带动了汽车工业的发展;1945年世界上第一台电子计算机的发明以及1957年第一颗人造卫星上天等科技新成果,无疑也都与新材料的发展有着密切的联系。

新材料的应用不仅是产业发展的基础,同时也是科研事业发展的基础。人们除了通过直接观察获得对自然界规律的认识以外,要想更深入地了解和揭示其本质,必然要进行科学实验,而科学实验离不开仪器和设备,仪器和设备都是由各种材料构成的,所使用材料的性能和水平直接影响到研究结果。由金属、非金属、晶体、电磁、热敏、光电、激光、红外等各种材料以及复合材料制成的电子显微镜、射电望远镜、高能加速器、电子计算机等先进仪器,才使我们对自然规律的认识不断的加深,从而达到深入探索自然规律本质的目的。

新材料是科学理论向技术应用转化的桥梁。科学家曾经在理论上预言了无电阻导线的存在,1911年荷兰物理学家翁纳斯在实验中发现了极低温度下的超导现象。因此,探寻可以大规模使用的具有高超导转变温度、高临界磁场和高电流密度的超导材料,一直是科学家实现高温超导的梦想。直到20世纪60年代初,铌锡合金材料的出现才使这个梦想得以实现。此后上千种合金和化合物被发现具有超导性,这些研究成果不仅奠定了超导技术的基础,而且很快在电机、输配电、交通运输、电子等领域获得了广泛的应用。

新材料的发展带动了社会的进步,而社会的进步又推动了新材料的快速发展。18-19世纪的工业革命,从能源到机械制造业、从纺织到交通运输业、从塑料医药染料业到电子工业等各个行业的兴起和变化,都与新材料的出现和应用有着密切的联系。我们简略地从能源、机械、交通、化工等领域的发展和变化,来了解一下新材料在其中所扮演的重要角色。

1.能源工业的变化

在18世纪中叶,当木炭作为主要能源材料用于金属的冶炼和加工后,木炭的需求量猛增,结果导致大片森林被破坏,寻求替代木炭的新能源材料势在必行。人们经过多次试验后,终于找到了硬煤可作为木炭的替代材料,这一新能源材料的发现改变了整个工业的面貌。1759年卡龙制铁厂首次用煤代替了木材,不仅保持了当时的制铁水平,而且产量有了大幅度提高。从1750年一炉产约300吨钢,到1800年的1500吨,生产能力迅猛增长。在1783年,人们通过技术改进,发明了炒钢法,进一步提高了钢的产量,使钢铁冶金业又一次发生了重大的变革。