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第9章 有趣的化学现象(4)

微胶囊技术是现在已经实用的一种方法,微胶囊药物和普通胶囊药物不同,它们的直径只有几微米到几百微米,只有在显微镜下才能看清它们的形状。

微胶囊是一种以聚合物做壁壳的微型药物容器或包装,聚合物可以采用明胶、糊精等天然高分子材料,也可以采用羧甲基纤维素等半人工半天然合成的高分子材料,还可以采用聚乙烯醇等全人工合成的高分子材料。

微胶囊能够包封并保护它囊芯中的固体微粒药物或液体微滴药物,包封用的壁壳物质称为壁材,被包的药物称为芯材。芯材可以是固体、液体或气体。微胶囊化以后的芯材与外界环境是隔绝的,可以防止被大气中的氧气氧化,也可以避免其中的药物挥发。

微胶囊的皮膜具有半渗透性质,其中的药物可以借助压力、温度等因素的变化而被释放出来,但药物是长时间地缓慢地被释放出来的,这就使药物达到长效的效果,即吃一次药管很多天的效果。因此,这种药称为“缓释胶囊药物”。

有一种缓释胶囊能显示其特殊的治疗作用,胶囊里面装有能促使门冬酰胺分解的酶,叫做门冬酰胺酶。临床试验表明,肿瘤患者的肿瘤生长部位的周围存在着一定数量的门冬酰胺,它是一种氨基酸,是能够促进肿瘤细胞生长的营养物质。

如果将装有门冬酰胺酶的微胶囊注入肿瘤病人的体内,当肿瘤周围的营养物质门冬酰胺渗入微胶囊时,便不断地被门冬酰胺酶分解,于是,肿瘤细胞便失去了养分,肿瘤的生长便会受到抑制。

基因嫁接长效释放药物

其实,微胶囊技术并不是一种最好的办法,它的不足是吃一次药所管的天数还不够多。于是,化学家和药物学家想出了一种更奇妙的方法,就是把具有药理活性的基团(即起治病作用的基团)嫁接到高分子化合物上,制成一种缓慢和长期释放药物的长效药品。

大家知道,阿司匹林是一种常用药,它的复方制剂能够医治感冒,是止痛退热的常用药。而阿司匹林本身对于预防高血压、心脏病、血栓等都有较好的效果。

阿司匹林的有效成分叫做乙酰水杨酸。化学家和药物学家设想,把具有药理活性的乙酰水杨酸作为基团嫁接到高分子化合物上,成为一种新型的药物。这种药物进入人体以后,遇水后发生反应,释放出具有药理活性的乙酰水杨酸。

这种新药物与单一的乙酰水杨酸不同,它在人体内水解反应发生得比较缓慢。它可以长期在人体内起作用,这就好像聚甲基丙烯酸酯对乙酰水杨酸起到了贮藏作用。

血栓是一种很危险的疾病,但是只要人体内有了用高分子化合物载带的阿司匹林,便等于体内有了一种长效药,可以使人体内较长时间存在乙酰水杨酸,对血栓起了一定的防治作用。

化学家正在考虑将青霉素等抗生素药物及各种维生素都嫁接到高分子化合物上,使它们成为慢慢发挥药效的长效药。

揭密液晶

同学们知道电子手表、电子计算器或者笔记本电脑的显示屏上的数字是用什么方法显示出来的吗?

原来,在电子表和计算器的表盘上或笔记本电脑的显示屏上使用了一种具有特殊性质的材料,它叫做液晶。世界上的材料,一般呈固态、液态或气态,还有一类材料却同时具有固态和液态的性质,这就是现已获得广泛应用的液晶。要说液晶,还要从19世纪末讲起,它是奥地利植物学家莱尼茨尔的发现。

发现液晶

1888年的一天,莱尼茨尔正在做胆甾醇苯甲酸酯性质的实验。他偶然发现,胆甾醇苯甲酸酯晶体在加热过程中,当温度升到145.5摄氏度时会熔化成黏稠的混浊液体。随着温度的上升,还会出现奇异的色彩变化,当升到178.5摄氏度时,它才会变成澄清透明的液体。

科学家的一个重要素质就是善于抓住偶然现象并对其加以深入的研究,从中发现事物规律性的变化。莱尼茨尔就是这样一位科学家。他想:胆甾醇苯甲酸酯为什么不像许多晶体那样,直接熔化成澄清透明的液体呢?他决心进一步揭开这个秘密。

通过一系列精心设计的实验,莱尼茨尔发现,当温度在145.5~178.5摄氏度之间时,胆甾醇苯甲酸酯看上去是液态的,它可以流动,也具有液体特有的表面张力,但它又像晶体那样,在不同方向上有不同的物理性质。而且,在这一温度范围内,它还会在不同的温度下呈现不同的颜色。

当莱尼茨尔向他的助手和学生讲述他的这一发现时,大家都听得津津有味,他们决定扩大实验范围,看看还有没有其他物质也具有这种奇妙的性质。

很快,莱尼茨尔和他的助手们就发现,除了胆甾醇苯甲酸酯,还有一些物质也具有这种既像晶体又像液体的“两栖”性质。

探究液晶之谜

莱尼茨尔把这一发现告诉了德国物理学家莱曼,希望他能从理论上解释这一奇怪的现象。

莱曼通过在偏振光高倍显微镜下的观察,终于找到了它变色的奥秘。原来,在这段温度范围内,胆甾醇苯甲酸酯中会出现双折射现象。也就是说,它会把射进去的一束光分裂成两束,沿着不同的方向折射,从而形成两个影像。

莱曼指出,正是这个原因,它才会有“各向异性”这种晶体常有的性质,才会在不同的温度下产生不同的颜色。针对胆甾醇苯甲酸酯这类物质的特点,莱曼为它们起名叫“液晶”——既像液体又像晶体。莱曼的论文发表以后,轰动了德国和奥地利的科学界,人们送来各种物质,请莱曼鉴别它们是否属于液晶。

在莱曼之后,法国化学家沃兰德和弗里德耳也先后投身于液晶的研究。他们制成了数百种液晶化合物,并把液晶加以科学的分类,为液晶的研究作出了很大的贡献。令人遗憾的是,莱曼、沃兰德和弗里德耳都仅仅研究了液晶的性质,而没有注意开发它的应用,以至于液晶长期被“禁锢”在实验室里,无用武之地。

对液晶开发应用

1960年,以德国海因茨大学的林斯多夫教授为首的研究组,用浓硫酸削弱尼龙分子之间的作用力,使它能流动起来成为液晶状态,从而一举发明了液晶尼龙。

液晶尼龙既有尼龙的韧性,又有固体的刚性,比钢丝还要坚韧。

1962年,前苏联科学家卡普斯廷和美国化学家海尔迈斯相继发现,对液晶施加一个电压,液晶就会变得混浊不透明,而电压一旦消失,它又会恢复透明的状态。1966年,美国赫尔大学的格雷教授制成了一批性能稳定的液晶化合物。从此,液晶的应用开始从设想走向现实。

1972年,美国微电子公司率先宣布,他们发明了一种没有发条、没有游丝、没有机械装置的电子手表,它上面有一小块长方形的屏幕,时间会以数字形式显示在上面。它,就是用液晶作为显示器的手表,里面有电子电路控制着显示屏上的各个小区域,通过电压变化让液晶变暗或变亮,组成闪烁的数字信号。

液晶电子表问世以后,世界各国纷纷开发出用液晶作为显示器的各种产品,如电子钟、电子秤、电子广告牌、电子绘图机、电子学习机、电子文字处理机、电子计算器,甚至液晶电视,蜂拥而出,让人目不暇接。

自从液晶获得应用后,科学家又在设法开发液晶温度计。

在1988年奥地利奥欧大学举办的液晶发现100年纪念大会上,一件“刀枪不入”的液晶防弹马甲引来了无数赞叹声。

“削钢如泥”的钢

神奇的刀具

当我们走到车床、刨床或铣床旁边时,可以看到用钢作的刀具在对钢料进行切削加工。而且真是“削钢如泥”一般,不一会,就把钢料加工成所需要的零件了。

表面上看来,两个都是钢。为什么用钢做的刀具能够切削钢料呢?

因为它们是有差别的。做刀具的钢,只要比被加工的钢料硬度高,就能进行切削。一般做工具用的钢,含碳量比较高(大约是0.6~1.4%),而且经过了热处理,使它变得更硬,不易磨损。但是在切削速度很高的情况下,往往会因摩擦产生高温,而高碳钢在高温下就不够硬了,因此用于高速切削的刀具,必须用高速钢(俗称锋钢)来做。高速钢是一种合金工具钢,它主要含有钨、铬、钒等合金元素,就是在高温下(600摄氏度以下),仍然十分坚硬。但是在更高的温度下,高速钢的硬度也显著下降,不能使用了。在这种情况下就要采用硬质合金。通常用的硬质合金是由钴、钨、铬和碳等元素组成的,这时它已经不是钢了。

合金元素

合金元素是很宝贵的,不但像在工具钢中钨、铬、钒能提高硬度,还有很多合金元素能使钢具有各种不同的特殊性能。

许多合金钢中如果加一点钒或铌就能大大提高机械性能,既有很高的强度,又有很好的冲击韧性,用于飞机、火箭、潜艇和其他国防武器的制造。

除了加入合金元素外,改变钢铁的性能的另一重要手段是热处理。这就是把钢铁加热到一定的温度,然后在各种不同的条件下,以不同的降温速度进行冷却。

因此,根据不同的要求,对钢铁可以采取不同的热处理方法,例如工具钢须经淬火才能获得很高的硬度,而被切削加工的钢铁常常先经退火或正火,才比较容易切削。

沾水变硬的水泥

神奇的水泥

当人们用水泥建造马路或者桥梁时,常常往水泥上浇水。造好以后,总在上面铺一层湿稻草,挂上个木牌,上头写着:“行人止步!”隔上几天,木牌被拿掉,稻草被揭开。那些灰绿色、轻飘飘的粉末——水泥,就变成了又硬又结实的石头了。

要使泥娃娃变硬,只消用火烤一下就行啦;要使面团变硬,只消放在锅里烤一下便成了烙饼了;要使各种东西变硬,一般只消加热,蒸干水分就得了。

水泥却不用火烧,不用加热,它只要在潮湿的环境里就会变硬。

当人们把水泥与水混合时,这场化学反应就在水泥颗粒的表面进行。渐渐地水分深入到水泥颗粒内部,发生水化反应。水泥小颗粒水化后,体积变大,颗粒间的空隙减小,最后连成一块。这样,时间越久,水泥就越硬,密度也越来越大。最后,终于结成大块大块的“人造石头”。

平常,水泥往往不是单独使用的,而是与砂子、小石子和水按一定比例拌合成“混凝土”。在混凝土里,水泥起着胶凝的作用,把号称“一盘散砂”的砂子与坚硬的小石子紧紧地结合在一起,使它们变得又紧密又结实。

现在,水泥已经成了非常重要的建筑材料。盖房子、砌高炉、修水库、筑堤坝、造桥梁、铺公路……样样都离不开水泥。

水泥的保存

水既然能使水泥变硬、结块,那么在保存水泥时,就应当注意千万别让它受潮,更不可以被雨水淋湿。

即使在干燥的地方,水泥也会吸收空气中少量的水分而变硬。平常,水泥袋上总是写着水泥的出厂日期。一般来说,出厂半年后的水泥,就失效了,不能再拿来使用。

如今,人们制成了能在24小时内就结硬的快硬水泥,来适应特殊的需要。

黑色金子——石油

无处不在的石油

石油是一种褐色或黑色的可燃性矿物油。它被人们誉为“黑色的金子”,也有人称它是“工业的血液”。

早在汉朝的时候,我国人民就已经知道用石油来烧饭点灯了。人们用钻井的办法,把石油从地底下取出来送进炼油厂,把中间的一部分提炼成为煤油,用来点灯、烧炉子都很方便,这样石油就一下子出名啦。

后来,人们把石油里面比煤油轻的部分,提炼成汽油,给汽车、飞机的发动机做燃料,又把比煤油重的部分炼成柴油,给拖拉机的发动机做燃料。

可是,石油中还有比柴油更重的“重油”剩下来,该怎么办呢?于是,人们把重油中的油提出来,留下的沥青送去铺路。在沥青路上行车很平稳,灰尘也很少。有人也叫它“柏油路”。

从重油中提炼出来的油,还可以炼出各种各样的润滑油。除此之外,从石油中还能炼出石蜡、凡士林、油漆溶剂等等,这些都是十分重要的工业原料。

石油能源

石油有这么多的用处,自然是个“宝”了,因此人们给它一个称号:“黑色的金子”。

石油主要被用作燃料油和汽油,燃料油和汽油是目前世界上最重要的一次能源之一。石油也是许多化学工业产品如溶剂、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。今天88%开采的石油被用作燃料,其他的12%作为化工业的原料。

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