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讓新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)形態(tài)造福人類
材料新視野
2013年12月10日過去人們都認(rèn)為任何物質(zhì)均以三種形態(tài)存在于自然界，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，“態(tài)”也稱為“體”，即固體、液體和氣體。例如：水在0 以下是固態(tài)（冰）；0 到100 是液態(tài)（水）；100 以上則為氣態(tài)（水蒸汽）；其它物質(zhì)也都是在這三種形態(tài)間轉(zhuǎn)化著，只是所轉(zhuǎn)化的溫度不同而已（但要說明，地球上也不是所有物質(zhì)都有三態(tài)，例如碳就只有兩態(tài) 固態(tài)和氣態(tài)。固態(tài)碳在溫度升高到一定值后，直接升華為氣態(tài)，不存在液態(tài)碳）。這些都是寫進教科書中的內(nèi)容，已成為人們的常識。
但是，隨著科學(xué)技術(shù)進步，人們認(rèn)識深入和視野開闊，早已發(fā)現(xiàn)物質(zhì)遠遠不止三態(tài)，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)物質(zhì)有十多種形態(tài)，隨著科學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)的形態(tài)將會越來越多，如第四態(tài)為等離子態(tài)（見下節(jié)），第五態(tài)稱為低溫態(tài)。在一些物質(zhì)的溫度降至接近絕對零度時，由于原子的振動接近停止，其性能會發(fā)生很大改變。
首先因電子在物質(zhì)中沒有阻礙，電阻可為零，出現(xiàn)超導(dǎo)性，一些原來在常溫下的絕緣體，也可導(dǎo)電，這種超導(dǎo)作用已得到很多實際應(yīng)用。其次，在超低溫條件下，使一些物質(zhì)的粘滯性幾乎消失，此時已呈液態(tài)的小分子物質(zhì)，如氫或氦，可出現(xiàn)超流性，即一般的容器對于這種物質(zhì)，可像篩子一樣，輕易地“漏”出來。它們甚至可以在容器壁面向上運動，以至從上面進口處“流”出。至于第五態(tài)后面發(fā)現(xiàn)的各種形態(tài)，就很難排列順序了。過去把第六態(tài)稱為高密態(tài)，現(xiàn)在認(rèn)為極高密度的物質(zhì)也有多種，如宇宙中的白矮星，是由恒星熱核反應(yīng)燃料用盡后坍縮而形成的，據(jù)估算，這種物質(zhì)只一個火柴盒大小的體積，就有幾十噸重！這似乎有點不可思議，其實從物質(zhì)結(jié)構(gòu)來分析也容易理解，我們知道，組成物質(zhì)的原子由原子核和外圍的電子組成。原子核只占原子體積的很小一部分，而1個電子的體積，又只占原子核中的1個質(zhì)子或中子的約二千分之一，電子在離核很遠處繞核旋轉(zhuǎn)。一個原子就像我們地球等八大行星繞太陽旋轉(zhuǎn)的太陽系一樣。而各原子間又有很大的距離，對于金屬材料由原子組成的晶格之間也有一定的距離，而分子材料的各分子之間也有很大的距離。所以無論金屬或非金屬，即使我們在一般顯微鏡下看來致密無隙，只要放大到足夠大（幾百萬倍），就可看到它們幾乎是“空”的。只有一些點狀物懸浮在“空中”，如果它們被某種力量緊密壓縮在一起，其比重當(dāng)然就不可思議了。
宇宙中的黑洞，其實它并不是“洞”，而是比白矮星密度更高的物質(zhì)。由于其密度太高，連光也不能逃離它的吸引力，所以我們看不到它，而像是黑的。中子星被認(rèn)為是其電子全部進入核中和質(zhì)子結(jié)合形成的。還有空間中的場、反物質(zhì)、超子等都認(rèn)為是物質(zhì)的不同形態(tài)。此外我們常見的玻璃，過去被歸入固態(tài)，因其沒有固定的熔點，也有時看作液態(tài)（它具有和液體一樣的流動性，盡管極緩慢。據(jù)說倫敦某教堂的窗玻璃，已有一百多年的歷史了，它的下邊比上邊厚了近一倍，證明是向下流動的結(jié)果）?，F(xiàn)在有人將其單獨地稱為玻璃態(tài)。又將現(xiàn)在電視等顯像用的液晶稱為液晶態(tài)。這樣算下來，形態(tài)就超過了十種。當(dāng)然，有些形態(tài)短時間無法證明，也難以獲得普遍認(rèn)同。
2．物質(zhì)的第四態(tài) 等離子態(tài)
等離子態(tài)像氣態(tài)一樣無定形，其區(qū)別在于等離子態(tài)的焓值（單位物質(zhì)所含的熱量）遠高于氣態(tài)，其原子全部或大部分已離化（即電離化），故具有良好的導(dǎo)電性。因其在被離化的區(qū)域里，正離子和負離子或電子是相等的，所以稱為“等離子體”，它在總體上是電中性的。等離子體在宇宙中很常見，很多恒星都是等離子體，太陽就是一個大等離子體，因內(nèi)部連續(xù)熱核反應(yīng)，其原子已全部處于離化狀態(tài)。等離子體在地球上也不罕見，分自然形成的和人造的兩類，自然形成的如電離層、極光、閃電等都是；人造的如原子彈爆炸，炸藥爆炸、輝光放電及電弧等。可見無論物理的或化學(xué)的方法，只要能量足夠集中，就可產(chǎn)生等離子體。
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等離子態(tài)[/caption]
需要說明的是，有些物質(zhì)雖然是等離子體，但其溫度并不高（如極光，霓虹燈等），這是什么原因呢？原來，是它們內(nèi)部氣體太稀薄，單位體積的物質(zhì)太少，故不能產(chǎn)生宏觀高溫。
由于等離子中單位物質(zhì)所含熱量高，因而能產(chǎn)生很高溫度。據(jù)我所原測溫組測定，電弧壓縮產(chǎn)生的氬等離子體，其溫度可達近15000 ，氮等離子體為12000 以上。如此高溫，用其它方法很難達到。于是人們利用其高溫等特性為新技術(shù)和新材料服務(wù)。利用等離子體的高溫和惰性氣氛（等離子一般用氮、氬或氦作介質(zhì)，所以不含氧），金屬研究所于上世紀(jì)五十年后期，在國內(nèi)率先開始等離子噴涂研究，并取得成功。該技術(shù)能噴涂任何熔點的材料（如高達3370 的鎢）。我國已先后用其完成多項軍用和民用重要任務(wù)，如多種型號的火箭噴管、頭錐及回收衛(wèi)星的天線，獲得過國家和省部級多項獎勵。
在金屬加工方面，我所先后研究過等離子切割、堆焊和焊接技術(shù)，均取得成功并應(yīng)用推廣。例如原來用氧－乙炔火焰切割金屬，只能切割鋼材，且厚度不能太大。對于銅、鋁、不銹鋼等則無能為力，因為這些材料的導(dǎo)熱率高，切割時溫度很快傳開，切口處不能迅速熔化。電弧等離子體因其溫度通常比氧－乙炔焰高近三倍，能在瞬間造成極高的溫度梯度，形成切口，且切口光滑，切縫很窄。
風(fēng)洞是飛行器（飛機、火箭等）研究和試驗過程中必不可少的，飛機的風(fēng)洞一般在常溫下進行，但火箭因其飛行時速度高，能與空氣摩擦產(chǎn)生高溫，對其頭錐和蒙皮選材往往用火焰風(fēng)洞。我們所就進行過用火焰沖刷的方法，研究試驗新火箭材料。但從上世紀(jì)六十年代初開始，我國發(fā)展載入飛行器。因其返回時速度大，和空氣摩擦產(chǎn)生更高的溫度和沖刷力，經(jīng)受的條件更為苛刻。而在研究頭錐、蒙皮和噴管材料時，因要加速試驗和保證可靠性，對風(fēng)洞要求比實際條件更高。為配合材料研究，我們所于上世紀(jì)六十年代研制成功“等離子高溫高速風(fēng)洞”，它也是用一種特殊設(shè)計的等離子發(fā)生器，將其產(chǎn)生的高溫高速等離子焰流，噴于一真空室中固定的試樣上，對試樣進行考驗。因發(fā)生器原產(chǎn)生的焰流速度就很高，加之其突然沖入真空室中，大大加速。因而達到了近5個馬赫數(shù)和8000 以上的高溫的沖刷條件。為我國發(fā)展航天和洲際導(dǎo)彈材料作出了貢獻。
這里應(yīng)該說明的是，飛機設(shè)計時的風(fēng)洞試驗，主要是研究其空氣動力特性，而上面沿襲以前所說的風(fēng)洞，只是研究飛行器材料的抗高溫高速氣流沖刷性能，這種以研究材料為目的的試驗和研究氣動力學(xué)的風(fēng)洞是不同的。因此這種叫法不太確切，所以叫等離子沖蝕試驗更正確。
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馬赫數(shù)（Mach number）是為紀(jì)念奧地利學(xué)者馬赫(Emst Mach，1838-1916)而命名的。1馬赫即1倍的音速，因此馬赫數(shù)大于1即為超音速，低于1為亞音速。因為聲音傳播速度與介質(zhì)溫度有關(guān)，溫度越高，其速度越大，所以馬赫數(shù)的速度是相對的。
在醫(yī)學(xué)手術(shù)中，等離子體也能發(fā)揮其作用，正在研究它代替現(xiàn)用的手術(shù)刀。這是一個只有鋼筆大小的發(fā)生器，它產(chǎn)生一精致而形狀不變的等離子矩，用于人體手術(shù)其優(yōu)點是：1．因焰流溫度高，能做到絕對無菌；2．當(dāng)組織被切開時，邊緣瞬間便因高溫封閉了，可以做到基本無血手術(shù)。又因其溫度梯度大，切口附近的組織不受影響。
總之等離子體在科學(xué)技術(shù)中前景廣闊，很多方面都可利用。在未來的科學(xué)發(fā)展中，新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)某些其它形態(tài)，同樣可大顯身手，造福人類。
作者：董祥林