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也许不远的将来,在手机外壳的材质上,我们将首先与液态金属有个“亲密接触”。
早在去年iPhone 5尚未面世的时候,坊间就流传着苹果将会在下一代产品中抛弃钢化玻璃,转而采用液态金属外壳。虽然最终答案并非如人所愿,但是期待却丝毫没有降低。
今年年中,当美国专利及商标局授予苹果子公司Crucible一项用于量产液态金属薄片的技术专利;而苹果的竞争对手HTC和中国台湾当地的外壳制造商杰邦国际达成了合作,且从日本招募了一个研发团队,着力液态金属手机开发,人们相信未来的手机一定会穿上这“磨不坏,压不扁”的金刚战衣。
上世纪60年代人们首次在实验室成功制备这种金属,当时就被它与众不同却无与伦比的特性所吸引:高强度、高柔韧性且可以和玻璃一样不需要二次打磨,可以一次性成型各种复杂形状……因此,业界更喜欢将它称作“金属玻璃”,或者学名:非晶态金属。
不过,要大规模地制备这种“未来材料”却并非易事。从第一代几纳米厚,到现在25毫米厚,人们探索了半个世纪。
制备的曲折路
玻璃和金属,这是人们日常生活中随处可见的材料,不过却有着完全不同的性质。金属富有光泽,并且导电,富有延展性,然而却无法和玻璃一样能够随心所欲地做成各种各样的形状,并且同时保持表面平滑。玻璃虽然可以被艺人们吹制成各种各样的灯具、装饰品,但是在硬度强度上却始终难以比肩各种金属合金。所以,即便在日常生活工作中,人们经常需要制备一些极端复杂形状的金属,但是碍于传统有限的打磨加工工艺,只能够不了了之。
科学家们是科技界的艺术家。自从他们发现将不同的金属按照一定比例放在一起,可以制备出性能优异的合金时,梦想也开始慢慢的变大了。他们希望能够金属如同和玻璃一样被“吹制”,做成各种各样极端复杂的形状的同时依然保持坚固。
不过,要实现这个梦想,并非容易的事情。从化学的角度来看,金属属于晶体。若是显微镜足够厉害,那么人们就会发现金属内部如同有无数个“小方阵”。“小方阵”内的金属原子手拉着手,以一种被称作“金属键”的形式紧紧的组合在一起。要将这些“小方阵群”打散还相对容易,若是要将“小方阵”内部的金属原子打散并且保持固态就十分的困难。因为,它们之间仿佛会如同商量好一样,随时随地想形成“小方阵”。
不过,玻璃却不一样,属于非晶体的范畴。若是将金属看作无数“小方阵”组成的一个“大方阵”的话,那么玻璃这种非晶体就可以看成直接由原子组成的大方阵,没有小集体的存在。也因此,要将它完全打散也且保持固态就相对容易。
“所以,如果金属内部的原子也可以如同玻璃一样,不搞小团体,是否就会同时拥有非晶体和晶体的优点呢?”科学家们很容易就从这两种不同物质的内部结构中看到了异同点,也同时有了努力的目标:打破“小方阵”,让金属晶体内部“非晶体化”。
要实现这个目标的第一步就是将金属内部所有的“小方阵”彻底打破。这并不难,只要将温度升到足够高,变为液态,就可以实现。因为在不断的加温加热过程中,这些金属原子们能量会越来越高,相互碰撞会越激烈,最终支离破碎。但是,问题是一旦从液态降温,这些原子们就在释放能量的同时,又会悄悄地按照以前的方式重新组合。所以,科学家必须和时间赛跑,让这些金属原子还没有移动到位时就马上凝结成固态,这样,非晶态金属就可以制备了。
20 世纪 60 年代,美国加州理工学院的皮・杜威就将熔化的金属倒入一个快速旋转的铜制圆筒,超高速降温,就能得到冻胶状的金属片。尽管这种金属片只有几纳米厚,但是金属玻璃的问世还是给了科学家们很大的勇气和力量。
不过,这种方法需要的降温速度实在太快了,因此金属只能做成薄层状来加快散热。冶金学家发现,只有当薄层在每秒一百万摄氏度的速率下冷却时,才能形成金属玻璃。而这种玻璃最多也就是做一些很薄的条状物、导线或者是粉末,无法实际应用。
辛勤的探索终于盼来了曙光。上世纪90年代初期,皮・杜威的学生承接了老师的衣钵,利用合金疾速冷却和添加大金属原子的办法,制备了一种能被称为”Vitreloy”的新型材料。这种包含了锆、钛、铜、镍等大金属原子以及较小的铍金属原子的材料相比于钢更有弹性,而且锻造温度仅仅需要400摄氏度,远低于锻造钢所需要的1000摄氏度高温。这种高硬度的产品首先被他们用到了高尔夫球杆上。相比于传统金属球杆,击球时几乎不会因为变形而损失能量。
然而,他们很快发现,这种材料拥有了玻璃这样的易于塑形的特性,但同时也非常易碎!其实非常容易理解,普通合金中金属原子有自己的小集体,即便有因为击打让一部分“小方阵”之间出现“裂缝隔阂”,但是在“裂缝”扩展时也会因为很快碰到其他集团而终止。不过在非晶态金属当中,由于没有这样的大单位存在,就很容易一破到底。因此,要解决如此问题,就需要给“裂缝”来点拦路虎。
2003 年,美国弗吉尼亚大学的约瑟夫・普恩和加里・西弗赖特宣布,他们利用碳、铁和少量锰,成功研制出“钢玻璃”。
不具有的性质
一开始,人们是希望这种非晶态金属能够保持金属的本性,提高其强度和韧性,并且能够和玻璃一样直接制备复杂形状的设备。然而,随着制备工艺的不断进步,他们也逐渐发现了其他绝活。
首先,它们具有非常优异的抗腐蚀性。这个本事在金属家族可是只有例如金、铂等“贵族金属”才有的本领。其他例如铝、铁、锌等“平民金属”时时刻刻要受到腐蚀。
多年以来,人们为了提高金属的抗腐蚀做足功课。在对非晶金属的研究中,科学家们研究发现,由于有别于自然金属的内部结构,这种非晶态合金在自然环境中不太容易因为不同金属原子电位不同而导致腐蚀微电池的形成。更重要的一点是,它可以以非常快的速度在其表面穿上一层“防弹衣”,形成钝化膜,阻止外界的进一步腐蚀,保持本我。
非晶态金属合金相比目前最好的钢材强度和柔韧性要分别高出3倍和10倍以上,虽然科学家们在为其大型化生产呕心沥血,成绩斐然,但是仍然面临很多问题。
首先,即便是世界上最先进的公司,能够制备的非晶态金属厚度也不超过25毫米。虽然性能十分优异,但是限制死了实际应用范围。就目前而言,人们也最多只能制做iPhone的SIM卡取卡针和手机外壳这样的低厚度产品。此外,这些非晶态金属内部的金属原子虽然无法再次“抱团”,形成“小方阵”,但是仍然有这样的“意愿”。若是不能将它们安置到一个稳定状态,它们就会很快地变回去,成为普通金属。所以,目前科学家们的攻关方向之一就是让那些金属玻璃稳定一些,再稳定一些,忘记过去。
这一科学幻想色彩浓厚的机器人也许未来将成为现实。前不久,清华大学医学院与中国科学院理化技术研究所联合研究小组,研发出了世界首个自主运动的可变形液态金属机器,为研发可变形机器人迈出了重要一步,为人类制造出可变形机器人“终结者”指明了方向。
神奇特性:能“吃”、会动、自主变形,这个机器身子很柔软
在清华大学医学院生物医学工程系刘静实验室里,出现了这样一幕:电解液中,直径约5毫米的液态镓金属球,在吞食了0.012克铝之后,能以每秒5厘米的速度前进。
“有趣的是,我们观察到,这种变形机器不仅能在自由空间运动,还能在各种结构槽道中前行。更令人惊讶的是,它还会根据槽道的宽窄自行调整,拐弯时则有所停顿,好似人在遇到障碍物‘思索’后行进,像极了科幻电影《终结者》中的液态机器人。”刘静说。
刘静和他的研究团队亲切地称该液态金属机器为“软体动物”,因为它呈现的一系列非同寻常的特性,已经相当接近自然界简单的软体生物。
该研究小组已经在实验室中制成了不同大小的液态金属机器,尺寸从数十微米到数厘米不等,并在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中验证了其自主运动的性能。
未来用途:可变形救灾机器人、智能机器人、实现远程拥抱等
1.可变形救灾机器人
刘静说,做出能在不同形态之间自由转换的可变形柔性机器,以执行常规技术难以完成的特殊任务,是科学界与工程界长久以来的梦想。比如,在抗震救灾或特定的军事行动中,变形柔性机器人能根据需要适时变形,以穿过狭小的通道、门缝乃至散布于建筑物中的空隙,之后再重新恢复原形并继续执行任务。
2.智能机器人
未来科学家还可将这种智能液态金属单元扩展到三维,组装出具有特殊造型和可编程能力的仿生物或人形机器,甚至还能研制出相应的机器,在外太空微重力或无重力环境下执行任务。
矿山工业系统可分为采矿作业、选矿作业和废物处理三个子系统。矿山生态工业的目的就是要实现自然资源和能源的最合理化、经济效益最大化和对人类和环境危害的最小化。基于二级生态工业原理,有色金属矿山二级生态工业模式可简化为如图1所示的模式:由图1可以看出,为实现矿山工业资源的有限输入和工业废物的有限输出的目的,要求在采矿作业、选矿作业、废物处理子系统之间以及内部进行废物的减量化、再生利用以及再循环。
二、有色金属矿山二级生态工业途径
1矿山清洁生产
有色金属矿山二级生态工业应以矿山生产过程为出发点,通过对生产过程的源头预防和生产过程控制,实现资源、能源消耗的最小化和废物产生的最小化。矿山生产工艺和主要废物产生环节如图2所示:由图2可以看出,矿山生产包括掘进、矿物开采、运输、碎矿与磨矿、分选、尾矿和废石贮存等过程。在各过程中,需要消耗的资源有水、炸药、木材、水泥、沙子等,消耗的能源包括电、油等,产生的废弃物包括废石、尾矿、废水、粉尘以及废石堆场的淋滤液等。矿山清洁生产就是针对矿山生产过程,按照清洁生产审核程序,找出能耗高、物耗高、污染重的环节和部位,基于技术工艺、设备、管理、控制、员工、产品、原辅材料和能源、废物八个方面,分析其原因,并寻找解决办法,通过源头削减和过程控制达到减少原辅材料的消耗、能源消耗及减少或避免废物的产生和排放的目的。矿山清洁生产模式如图3所示。
2废物产生的预防
矿山产生的废物主要为废水和固体废物,因此,预防废物产生包括废水预防和固体废物预防两个方面。废水预防,就是要减少矿坑水、废石场淋滤液以及选矿废水的产生量。对于矿坑水,应避免地表水的进入,减少矿坑涌水,采矿过程做到合理用水;对于废石场淋滤液,应减少雨水进入堆场;对于选矿废水,要严格控制磨矿、分级、选别以及尾矿输送等环节的浓度,减少废水的产生。固体废物的预防,就是在矿山生产过程中减少废石和尾矿的产生量。对于采矿过程产生的废石,宜合理规划巷道和竖井,减少废石的剥离量,降低原矿的贫化率;在选矿过程中,应提高目的矿物的回收率,增加有价组分的回收,降低尾矿的产生量。
3矿山废物的循环利用
矿山固体废物的利用包括废石和尾矿的利用以及废石和尾矿中有用组分的回收利用两部分。(1)矿山废石和尾矿的利用矿山废石和尾矿主要回用于采矿作业,其利用途径如图4所示:要实现废石的零排放,不但要尽量减少废石的产生,还需要以矿山系统为基础充分利用废石,以避免或减少废石的排放。采用废石和尾矿作为采矿区的充填材料,可以大幅度降低废石和尾矿的排放。废石和尾矿的井下填充,是我国有色金属矿山废石和尾矿利用的主要途径。目前,我国铜绿山铜铁矿、武山铜矿、红透山铜矿等矿山均采用废石和尾矿作为充填材料。此外,矿山废石和尾矿的处理还应推广应用充填采矿工艺技术,提倡废石不出井;采用尘源密闭、局部抽风、安装除尘装置等措施,防治破碎、筛分等选矿作业中的粉尘污染;对采矿活动所产生的固体废物,应使用专用场所堆放,并采取有效措施防止二次环境污染及次生地质灾害;积极推广尾矿的贮存和综合利用等。(2)废石和尾矿中有用组分的回收利用有色金属矿山固体废物既是一种污染物,也是一种可以利用的资源,对废石和尾矿中的有用组分进行回收是实现废物资源化和减少矿山废石和尾矿污染环境的重要手段。如德兴铜矿将一个废石容量4亿t的废石场和另一个废石容量7亿t的废石场建成两个铜堆浸厂,年产铜分别为200t和2000t。据初步估算,所有废石堆浸服务期限约为40~50a,可回收约30.8万t铜。美国有色金属矿山的资源综合利用率为76%~90%,比我国高3%~17%。
废水直接回用或经过处理后回用,可以最大限度地利用废水,既能减少废水的排放量,减轻环境污染,又能减少新水补充,节省水资源,解决日益紧张的供水问题。矿山废水的产生和回用方式如图5所示:废水的回用,包括直接回用和间接回用。如尾矿库废水回用于选矿或采矿过程;酸性矿坑水和堆场淋滤液回用于选矿过程,改变选矿的工艺条件或中和选矿废水的碱度。如某铜矿将酸性废水回用于选硫过程,硫回收率能达到90%以上[4]。某金铜矿山采用反渗透工艺处理酸性废水,通过两段处理,水回收率为36.79%,实现了废水的净化回收。[5]废水的利用还包括堆废水中污染物组分的回收利用。如对矿山含铜酸性废水,采用石灰调pH—铁屑置换—石灰沉淀法进行试验。结果表明,废水中的铜经铁屑置换后,形成的海绵铜品位为20.53%,废水中铜回收率达到96.7%[6]。采用反渗透工艺处理含铜酸性废水,利用硫化沉淀处理反渗透浓缩液,沉淀物铜品位为26%,铜回收率达74%[5]。
4最小量废物的必要处置
对于矿山生产过程中产生的最小废物,应进行必要处置,以避免或降低其对环境的危害。由于选矿废水可以全部回用于选矿过程,因此最小量的废水主要为矿坑水和堆场淋滤液。由于矿坑水和堆场淋滤液呈酸性,含有重金属离子,因此,对于此类废水的必要处置应采用中和沉淀法,处理后废水回用于采矿和选矿生产过程或排放。对于最小量的固体废物,如废石堆、尾矿库,宜隔绝空气和雨水,避免废石和尾矿的风化、氧化以及微生物作用,减少酸性废水和重金属污染物的产生,其方法主要有喷洒沥青、泥土覆盖、种植植被等。矿山开采企业应采用采(选)矿—排土(尾)—造地—复垦技术,将废弃地复垦计划纳入矿山的日常生产与管理,实现矿山废弃地的复垦。
由于信息技术的高速、持续发展,社会已经进入一个信息化、网络化的时代,熟练掌握了信息技术的信息技术教师更是处在这个时代的前沿,能够更加强烈地感受到新技术对教育教学的冲击、对教师的更高要求。
新课程标准的提出,信息技术的发展,对现代教育模式所使用的理念、手段、方法产生了重要的影响和促使其变化发展,信息技术教师的专业发展面临着职业生涯中的一次重大挑战。在技术发展的同时,通过集体培训、个人自学、网络学习等形式,信息技术教师正不断地提高自己的现代教育技术水平。
随着信息社会时代的发展和各个方面信息网络的覆盖,教育信息技术也随之加速更新换代,传统的课堂已经无法跟上时代的脚步,各类新型网络教育名词(网络教学、终身教育、交互式学习、远程教育)涌现在课堂中,使每一个教师对于自己的课堂教学水平质量感到压迫以及改善的紧迫性。为适应信息化教育的要求和考验,优化教育教学的课堂模式和发展效益,掌握并在课堂中施行现代教育技术手段是教师的当务之急。所以说现代教育技术是教师专业化发展的根本动力。信息技术教师一般都很好地掌握了信息技术,并能够熟练地使用这些技术,那么如何应用现代教育技术来促进信息技术教师的专业发展呢?
1 教育教学理念的改变和发展
信息技术教师想要顺利进行教育教学实际工作的开展,不能脱离现代教育思想与理论的指导思想工作。只有借助这个基本理念,根据课堂教学的需求,精心设计教学课堂内容、合理分配使用信息,调动学生对于课堂上的自主学习探求以及学生之间的相互交流等交互的学习,将以上内容进行统筹结合,才能尽最大的可能有效地使教学科学合理地进行,真正将信息技术运用到教育发展和教育教学服务的支撑,高质量地组织教育教学活动,高效率增强教学效果,提高教师的教育质量。
网络是现代教育技术实现的沟通平台,为此应运而生的信息技术教师可通过日常使用的软件(QQ、E-mail、教育教学网等)来突破时间与空间的限制,增强课程优势并扩展,创造与学生开展更多的平等的对话与自由的交流的机会和时间,拉近师生的距离感,并针对各类学生有效进行教育教学指导。由于课时、课程等方面的原因,信息技术教师与学生的课堂交流互动是非常有限的,师生关系也就比较难得到进一步的发展。将网络环境中的师生平等教育交流和互动代入现实教学,对建立教师与学生之间良好的平等关系有极大的帮助,也是教育教学顺利完成的情感因素,对促进和谐教学的开展起着重要的支撑力量。
现代教育技术的核心对象为学生,教师拥有其教育操作手段,结合学生的基本情况开设新型的适应学生的学习环境,脱离传统课堂的教育模式,提供现代化的数字化的媒体学习等资源,使学生在非课堂学习时间以外还可以自主地选择学习时间、地点甚至是符合自己学习行为的学习方式,可充分调动学生的学习积极性和自主性。
2 提高教育教学能力
想要有效提高教学质量以及实现学生的综合发展,突破口在于教师的教育教学能力的提高,因实现教学任务以及教学目标的过程中必须通过教育者个人主观能力。教师必须具备较强的语言表达能力和概括能力,对教材的规整和处理能力以及课堂教学过程中的组织能力等能力条件,这些能力和提高教学质量和学生的教育成功息息相关。当然除却上述能力之外,教育信息技术能够综合现代教育媒体和信息资源,现代教师必须掌握现代教育技术才能紧跟时代的步伐有效完成教务,而该项技能在现代教师专业发展中是不可或缺的一项。
信息技术工具既是信息技术教师的教学内容,更是提高教学的强有力的手段。信息技术教师可以通过Word文档进行课堂教学备课内容的编写;为提高教育分析水平,可以通过Excel对学生的成绩等个人信息进行比对、整理、分析、统计,减少工作时间,提高工作效率;为调动学生的积极性,可以通过Flash等动画软件创造情景式教学;通过FrontPage、Dreamweaver,开设教学网站,提供网络课件,方便学生课后学习;教师为提高信息量和扩充知识面,可以利用知识面广、信息量大的搜索引擎进行信息检索,寻找各个方面的资源并进行优化使用,在课堂上扩展教育知识层面,丰富时代性。
3 促进教育科研能力
在信息技术课堂的特殊前提下,大胆尝试不同的教育理念和教育组织形式以及教育教学模式,对各类不同学生群体因材施教,从中获取教育经验和教学教训,是从根本上帮助信息技术教师脱离以往单一呆板的传统课堂对教育科研探究与实践的一条高效率途径。
每一个教师都希望在完成教学任务的同时,能和学生有着和谐的教学氛围,从中获取交互乐趣,脱离单调乏味的课堂任务,而教育信息技术便是引导每一位教师通向愉快从事教学研究这条幸福的道路的重要支撑。在进行教育教学中坚持不懈地研究,逐渐形成自己的教育教学风格,同时也使自己具备较强的科研素养,并最终成为“科研型”教师。
信息技术教师都擅长于通过现代教育技术,进行信息的提取加工和课堂教学使用,以便保证教学科研活动的有效开展。譬如说借助网络的便利查询资料,通过百度等搜索引擎工具了解最新的动态资讯和参考文献,做好与课堂有关资料的下载,及时更新课堂的讯息;通过Excel或专业的数据分析软件对学生综合评测进行研究整理、计算、统计,提高数据处理的高效性和增强其计算结果的准确性;利用互联网脱离时间和空间的局限,广泛地获取与其他同行的科学研究活动的交流成果,促进教育信息的推广,汲取百家之长,脱离“钻牛角尖”的误区。在交流中善于思考,研究其规律,促使教师在向“科研型”教师转型期多几分信心和希望,少些许迷惘与曲折。
4 提高教学反思能力
教学反思作为一项提高教师个人业务水平的重要举措,是促使教师教育自我发展的主要因素。自发主动地创造性地反思事业中所面临的事件问题,是作为一个成功的有效率的教师所具备的能力。当然,教师所考虑的不仅仅是自己的教学备案,还必须拥有改善课堂环境、有效完成教育目的以及提高自己的职业能力。而拥有坚实稳固的课堂知识和有效扩展教育教学的能力是现代信息技术教师必须具备的,他们比一般的教师更适应现代教育教学的发展,高度符合信息化社会的工作能力和工作效率的要求。
面临信息时代的冲击,教育也必须紧跟时代的需求和发展,教育反思的重要源泉来自新的教学理念的冲击以及全新的教育教学方式和举措。为提高教育反思的效率,通过利用现代教育网络信息媒体与学生进行互动交流,促使两者自主应用信息融入教学的积极影响,并能大致了解学生的基本情况和学生学习中所反馈的内容,来改善课堂的上课效果以及实现教学手段、内容、基本方法的规格优化,改进全面的教育质量。为提高学生的学习质量和减少教师教学中出现教育失误,可以通过课堂教学里的拍摄过程进行分析和思考,从根本上改变课堂中教育低效率等问题。可以将其到更广阔的互联网上,请更多的同行一起来研究以帮助提高。借助微薄或博客的广阔性,发表教育叙事、教育反思、教学案例以及对信息教育的使用体会等,改变以往传统教育普遍的教训和经验的总结方式,通过网络的流动性与同行、学者、有个人想法的网友进行交流,可激发教师对教育课堂的灵感以及创造,使教师的反思飞跃校园的门栏,在共享经验中促进教育教学的发展和提高信息技术教师的职业水平。
综上所述,信息技术教师是极具发展潜力并适应社会发展的专业,它具有持续性、终身性。教育技术能力已经成为现代教师职业素养的重要组成内容,信息资源是教师专业发展的重要保障。借助技术优势,依托现代教育技术平台,可有效提高信息技术教师的专业水平,一定可以在专业发展方面更进一步。
参考资料
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[3]董波.浅谈高等院校创新教育的培育[J].安阳师范学院学报,2005(4):
对一个企业来说,自身品牌的打造尤为重要。“我们在品牌打造方面的成功,得益于三方面,即重视前期设计,科技研究的大量投入,售后服务有保障。其中,第一保障的就是科技研究,企业平均每年在科研上的投入就有100多万元。”王李根表示,能够成功中标北京奥运会水立方项目,就是凭借他们的专利技术。
作为2008年奥运会场馆三大标志性建筑之一,国家游泳中心“水立方”建设举世瞩目,而泳池水处理又是最核心部分。2005年8月,金泰在“水立方”的招投标中,战胜了包括曾为4家奥运会场馆进行泳池水处理设备供货与安装的德国普罗门特等12家国内外水处理公司,一举中标。这也是上虞首家承建奥运会项目的企业。“经过了三轮投标,最后9家公司入围。其中有为4座奥运场馆提供过水处理设备的德国普罗门特,也有国内很著名的企业。”王李根表示,“水立方”的成功中标也为企业提升了知名度,扩大了影响力,同时对企业能力也是一种考验。
“水立方”采用的是全流量臭氧消毒和逆流式循环水处理方式,这是两项拥有自主创新的世界级技术。金泰正是凭借这一技术赢得了最终的胜利。“我们在进军奥运之前就已拥有38个专利,在水处理技术方面可以说站在了最前沿。”王李根说,自“水立方”竣工以来,他们就24小时不间断地巡视维护所有的设备设施,这是“水立方”赛事能正常进行的基础。
“水立方”的水处理系统全程采用自动控制技术,每4个小时循环一次。而其他的泳池水处理循环一般需要6至8个小时。水循环的加快,对保证水质起了很大作用。”王李根表示,这也是全国惟一的全自动水处理系统的场馆。