奇异的纳米材料
纳米材料，也叫做超微粒材料。它是一种小而又小，难以想像的细小粒子或粉末，所以称为超微粒子或超微粉末。
通常，把1毫米分割为1000份，每1份就叫做1微米；再把1微米分割为1000份，每1份就是1纳米。超微粒子就是指直径大小为纳米的固体颗粒，“纳米材料”的名字也便由此而来。
这样细小的颗粒，相当于袅袅轻烟中飘浮的炭黑颗粒。
实际上，我国的古墨就是用天然的超微粒子——烟制成的，从而开创了纳米材料的先河。
现代的纳米材料是从20世纪80年代发展起来的，而且它的出世是和一位科学家在旅游中产生的大胆设想连在一起的。
那是1980年的一天，一位叫格莱特的德国物理学家到澳大利亚去旅游。当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，眼前的景象使他突发奇想，将茫茫的大漠和材料中的晶粒联系起来。他是从事晶体材料研究的，知道晶体中的晶粒大小对材料性能有极大的影响，晶粒越小材料的强度就越高。于是他就想，如果组成材料的晶粒细小到只有几分纳米那么小，材料会是个什么样子呢？或许会发生“天翻地覆”的变化呢？！
在异国他乡旅行中冒出这个想法使他兴奋不已。回国后，他立即开始试验和研究。经过近4年的努力，终于在1984年得到了只有几个纳米大的超细粉末。在研究中他发现，任何金属和有机、无机材料都可以制成纳米大小的粉末。更有趣的是，材料一旦变成纳米大小的粉末，无论是金属还是陶瓷从颜色上看都是黑的（由于超微粒子吸光能力强所致），其性能还真的发生了“天翻地覆”的变化。
格莱特研制超微粒子成功的消息传开后，德国和美国都有一大批科学家着了迷似地研究起纳米材料来。例如，美国著名的阿贡国家实验室用纳米大小的超细粉末制成的金属材料，其硬度比普通粗晶粒金属的硬度要高24倍。在低温下，纳米金属竟然由导电体变成了绝缘体。一般的陶瓷很脆，但用只有纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品，却有良好的韧性。更使人感兴趣的是，纳米材料的熔点随超微粒子的直径减小而大大降低。比如，金的熔点是1064℃，但制成10纳米左右的金粉末后，熔点降到940℃；而5纳米大小的金粉末熔点降至830℃；2纳米金粉末的熔点只有33℃。这一特点对研制新材料大有用处。例如，许多高熔点陶瓷材料很难用一般的方法生产出用于发动机的零件，但只要事先将陶瓷制成纳米大小的粉末，就可以在较低的温度下烧结成发动机的耐热零件。
用一般机械粉碎法很难获得超微粒子。通常采用熔融金属雾化法和气体沉积法来制取超微粒子。雾化法凝结力强，产量高，但颗粒不太均匀；气体沉积法能获得清洁的超微粒子，而且颗粒大小易于控制。
80年代末，日本研制成一种冲击式超微粉碎机，能制造直径1微米以下的超微粉末。德国科学家于90年代初发明了一种生产金属超微粒子的新方法，是在一个封闭室内放进金属，然后充满惰性气体氦，再将金属加热变成蒸气，于是金属原子在氦气中冷却成金属烟雾，并使金属烟雾粘附在一个冷却棒上，再把棒上像碳黑一样的纳米大小的粉末刮到一个容器内；如果要用这些粉末制作零件，就可将它们模压成零件形状，通过烧结即可制成纳米材料零件。
这种奇特的超微粒子神通广大，应用面广。例如，将金属铝和镍的超微粒子掺到火箭的固体燃料中，就可使燃烧效率提高100倍左右。美国和俄罗斯的火箭中已普遍使用了这种办法。将超微粒子均匀地涂到磁带、录像带和磁记录器上，能使记录磁信息的能力大大增强。有些新药物制成纳米颗粒，注射到血管内可顺利进入微血管，大大提高了药物疗效。
目前，对纳米材料的研究已在世界范围内形成热潮，有许多研究小组开发出制造超微粒子的新方法，其中包括用化学或物理手段从原子或分子原始粒子合成纳米材料。一般来说，最好用原子或分子这样的原始粒子来制造纳米材料，因为这样可对材料的结构和性能进行最有效的控制。一场纳米材料革命已经开始。在不久的将来，人们将用更聪明和更有效的方法在原子、分子级控制物质，创造出更适合需要的性能优异的新材料。
走进超导世界
超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把电流储存起来，供急需时使用。自从世界上以电力作为主要动力以来，就遇到两个令人头痛的问题，一是在输送电流时，不少电力因导线有电阻而发热，白白损失了相当的能量。另一个问题就是，白天的电力常常严重不足。而深夜的电力又大大富余，搞得发电机常常白天超负荷运转，深夜时却空转，电力白白浪费了。能不能把夜间富余的电力储存起来用以弥补白天电力不足的难题呢？
自从有了超导材料以来，解决这个问题就大有希望了。超导材料是怎么发现的呢？那是1911年，许多科学家发现，金属的电阻和它的温度条件有很大关系。温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。这时，荷兰物理学家昂尼斯为检验这个理论公式是否正确，就用水银作试验。他将水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体，然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度。同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低到4K时，一个奇怪的现象发生了，水银的电阻突然变成了零。开始他不太相信这一结果，于是反复试验，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料叫超导材料，而把出现超导现象的温度叫超导材料的“临界温度”。
昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低温本身就很花钱而且很困难。
为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进展。直到1973年，英美一些科学家才找到一种在23K出现超导现象的铌锗合金。此后这一记录又保持了10多年。
到了1986年，在瑞士国际商用公司实验室工作的贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中吸取教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，解放思想，终于发现一种镧铜钡氧陶瓷氧化物材料在43K这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
此后，美籍华人学者朱经武，中国物理学家赵忠贤在1987年相继发现了在78.5K和98K时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。不久又发现铋锶钙氧铜系高温超导合金，在110K的温度就有超导现象；而后来发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更接近室温，达120K。这样，超导材料就可以在液氮中工作了。这可以说是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。
至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。1991年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子C-60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性。有些科学家预料，球状碳分子C-60经过掺金属后，将来有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。
超导材料应用的社会效益和经济效益，首先将表现在大功率远距离输电方面。前面我们已经谈到，目前全世界仅在电力输送上，由于线路电阻而消耗的电能约为全世界总发电量的20％左右，如果利用超导材料制成新型输电线材，那么，必将节省大量的电能损耗，对促进社会、经济的发展，将发挥十分巨大的作用。
利用超导线圈储能是超导材料的又一大作用。据有关专家估算，超导线圈的储能效果是通常水冷铜导线线圈储能的100～1000倍，而超导线圈本身并无电能损耗，只需消耗一定的制冷功率即可。对此，有位美国科学家已经实验成功。这一实验给人们很大的启示：在日常生活中，白天和傍晚，人们用电总是最多的，而到了深夜，电就用得少了。要是有一个很大的电力“仓库”，能及时地把多余的电能储存起来，到了急需时再放出来，那该有多好啊！
于是，科学家们提出了超导线圈储能的设想——在地下很深的地方，挖一个直径有100多米，上中下分三层的大坑，里面充满着超低温的液态氦气，把超导金属做成的线圈浸没在里面，这就做成了超导储能装置。要是平时有多余的电能，就可以存到超导线圈里面去，需要时随时都可以拿出来使用。由于它没有电阻的损耗，还可以长期地保存下去。有关科学家估计，到那时，世界上将出现可储存100万度电的超导设备，人们就再也不要为用电的不平衡而烦恼了。
超导材料的另一个非常有前途的用处是制造磁悬浮列车。为什么超导材料有如此大的力量能把几十上百吨的列车浮起来呢？其实道理很简单。摆弄过磁铁的人，对这一点一定很容易理解。当把一块磁铁的北极（或南极）和另一块磁铁的南极（或北极）挨近时，它们会立即吸在一起。但如果把一块磁铁的北极和另一块磁铁的北极靠近，它们就总是挨不到一块，即使用力把他们挤在一起，只要一松手，它们就会立即分开。这是因为在它们之间有一种排斥力。磁悬浮列车就是利用磁铁同极相斥的原理制成的。
但磁悬浮列车上的磁铁不是常见的那种磁铁块（即永久磁铁），而是电磁铁。电磁铁外有一个用导线绕成的线圈，线圈中有电流通过时，铁就产生磁力，只要线圈中一断电，铁就立即失去磁力。
电磁铁的线圈有两种，一种是普通的铜导线绕成的，另一种则是用超导材料导线制成的。要想把几十上百吨的列车悬空浮起来，电磁铁之间的排斥力起码得有几十上百吨。而电磁铁之间的排斥力和通过电磁线圈中的电流有直接关系，也就是说，只有通过很大的电流，才能产生很大的磁力。
但普通的铜导线有电阻，电流一大，铜导线就会发热，电流过大时，还可能使导线烧毁。所以铜导线通过的电流大小受到限制，例如直径1毫米的铜导线，只能通过6安培左右的电流，否则就会过热烧毁。
为了使铜导线通过更大的电流，需要加大导线直径，增加冷却设备，这样就会使磁悬浮列车本身的重量加重，这对提高列车的行驶速度不利。怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻，又能让电磁铁产生很大的磁力呢？这似乎是一个难以克服的困难。但自从有了超导材料后，就有了克服这一困难的希望。
因为超导材料没有电阻，多大的电流通过它也不会产生焦耳热，也不会有电阻产生的损耗。因此，目前世界上许多国家都在争先恐后地研究和开发超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车因为不和铁轨接触，没有摩擦力，只有空气产生的阻力，因此时速可达到550公里，和普通的民航飞机的速度差不多。如果将磁悬浮列车装在真空隧道中运行，速度可达每小时1600公里，比超音速飞机还快。但建造这种隧道很难，因而不易实现。
我国在90年代初开始研制磁悬浮列车，并在“八五”
末期研制出第一辆试验性磁悬浮列车，它没有车轮，依靠磁排斥力使车体浮起来10毫米左右。用直线电动机推进。
这辆磁悬浮列车是由铁道部长春客车工厂制造的，铁道科学院、国防科技大学、西南交通大学、长沙铁道学院、大连铁道学院等单位共同参加了研制。
日见成熟的激光家族
世界上第一束激光是1960年5月问世的。今天，激光已走进人类社会的各个领域：工业、农业、国防、科研和人们的生活，成为几乎人人皆知的一个词。但它还是高技术，一种深入到人类生活各个方面的高技术。君不见激光唱机乐曲回荡，激光电影奇妙异常，激光排版快速完美，激光打印清晰优美，激光彩色复印犹如原画，激光手术精细准确，激光武器神速神威，激光化学反应随心所欲，激光俘获准确无误……限于篇幅，我们隐去激光的产生和激光器的制作，而着重阐述激光材料及其应用前景。
这些年来，激光历经发现、发展到高技术应用的峥嵘岁月，不断取得研究成果，而其中对激光材料的追求贯穿于整个历程的始终，现在已形成了激光材料家族。
