發(fā)明之路 兩個(gè)輪子“走路”

這是一種使人們能夠不用走路就能夠快速移動(dòng)的交通工具：自行車誕生于1817年，經(jīng)過多次改良之后，變得高效而流行。

德萊斯自行車

這一切都始于1817年。德國人德萊斯男爵發(fā)明了一種交通工具——德萊斯自行車。他用一個(gè)簡單的木條連接兩個(gè)輪子，他坐在木條上，用腳蹬地推著車前進(jìn)。事實(shí)上，這只是一種新的滑動(dòng)行走方式而已，因?yàn)檫@種自行車還沒有踏板！

踏板，鏈條，剎車

1861年，法國人皮埃爾·米肖（Pierre Michaux）給自行車的前輪加了能轉(zhuǎn)動(dòng)的腳踏板。為了讓自行車跑得更快，人們?cè)龃罅饲拜喌闹睆剑瑴p小了后輪的直徑，但這樣的比例是很不穩(wěn)的。

漸漸地，自行車有了更多改進(jìn)：鋼取代了木頭，使自行車變得更輕;腳踏板調(diào)整至車架中間， 兩個(gè)輪子直徑相同，整個(gè)車變得穩(wěn)定了。隨后，陸續(xù)有其他改良問世，比如給自行車增加了鏈條、剎車，以及換擋功能，使自行車更快、更安全，廣受人們歡迎。

約翰·鄧祿普，輪胎的發(fā)明者

很早的時(shí)候人們只是在車輪上簡單地覆蓋了一條鐵條和一條橡膠條。愛爾蘭人約翰·鄧祿普用一個(gè)活門充氣的管子包裹車輪，并在外面涂上橡膠做保護(hù)層。1888年，他的兒子騎著裝有此種輪胎的自行車參加比賽得了第一名，此項(xiàng)發(fā)明開始受到了人們的重視。

引擎，讓騎車不再費(fèi)力

首先，1871年，美國人佩魯在后輪上安裝了一個(gè)小型蒸汽機(jī)，使自行車實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。 1899年，維爾納兄弟為自行車配備了內(nèi)燃機(jī)。自行車變機(jī)動(dòng)車，行駛更快更省力。

蒸汽機(jī)和運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展

埃及人最早發(fā)現(xiàn)了蒸汽的力量，但直到18世紀(jì)蒸汽才被加以利用。從19世紀(jì)起，蒸汽開始應(yīng)用于陸地運(yùn)輸，帶來了機(jī)動(dòng)車的發(fā)展，標(biāo)志著工業(yè)時(shí)代的到來。

蒸汽，一種源自水的能量

水加熱后從液體變?yōu)闅怏w，也就是蒸汽。如果我們壓縮這些蒸汽，它就能產(chǎn)生一種重要的能量：蒸汽能。

18世紀(jì)，蒸汽的世紀(jì)

1679年，法國物理學(xué)家丹尼斯·帕潘通過觀察加熱的蒸汽會(huì)掀翻鍋蓋，從而發(fā)明了第一臺(tái)蒸汽機(jī)，但沒有實(shí)際運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)上，直到1785年以后，詹姆斯·瓦特改良的蒸汽機(jī)，效率大為提高，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。

最早的蒸汽船

1783年，全世界第一艘蒸汽船下水，像磨坊一樣的輪子在水中翻滾。螺旋槳發(fā)明之后，蒸汽船變得更快、更穩(wěn)定。

最早的火車：從采礦到快樂旅行

蒸汽機(jī)最早應(yīng)用在礦區(qū)運(yùn)煤的馬車上。然后，蒸汽機(jī)用到了旅行火車上。1825年，在英國，一列由30多節(jié)車廂組成的蒸汽火車第一次在鐵道線上運(yùn)行。除了供旅客乘坐的車廂外，還要有專門的車廂裝載著煤，這列叫作“旅行者號(hào)”的列車靠這些煤為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力、為水加熱。當(dāng)時(shí)的火車行駛緩慢，乘坐也不舒服，發(fā)動(dòng)機(jī)還會(huì)冒出大量的濃煙。

最早的蒸汽汽車幾乎跑不動(dòng)

想象一下，一輛三輪車，前面頂著一口大鍋爐：這就是第一輛蒸汽動(dòng)力汽車——居紐板車的樣子。它非常重，以至于只能勉強(qiáng)以每小時(shí)4千米的速度移動(dòng)。1885年，卡爾·奔馳制造出一種裝有內(nèi)燃機(jī)的三輪車，即“奔馳一號(hào)”三輪車，并于1886年1月29日為發(fā)明立案，這一天被認(rèn)為是世界汽車誕生日。由于內(nèi)燃機(jī)取代了蒸汽機(jī)，這種車更輕，可以以每小時(shí)13千米的速度行駛，大約是步行速度的兩倍。

天上飛的

人類最雄心勃勃的夢(mèng)想就是像鳥兒一樣飛翔，為此，人類做過瘋狂而危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。直到20世紀(jì)初，人類才成功飛上了天。今天，幾乎每個(gè)人都有機(jī)會(huì)乘坐飛機(jī)。

熱氣球

1783年6月，法國的造紙商蒙特哥菲爾兄弟將一個(gè)充滿熱空氣的紙氣球成功地升到了1000多米的高度。幾個(gè)月后經(jīng)過他們改進(jìn)的熱氣球?qū)崿F(xiàn)了首次載人飛行。氣球之所以能升上天空是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部充滿了比空氣更輕的氣體。

飛機(jī)

20世紀(jì)初，出現(xiàn)了第一架使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)的飛機(jī)。1903年萊特兄弟乘坐這架帶有兩支機(jī)翼的飛機(jī)，在美國的一個(gè)海灘上空飛行了12秒，并在36米外著陸。

越來越快，越來越大

航空領(lǐng)域的發(fā)明可多了。人們研發(fā)加壓艙，使乘客在空氣稀薄的高空也能夠自如呼吸。人們?cè)斐隽恕皽u輪噴氣式”發(fā)動(dòng)機(jī)：發(fā)動(dòng)機(jī)從前端吸收空氣，然后將空氣壓縮并與燃料、煤油混合，最后整體點(diǎn)燃，燃燒產(chǎn)生的熱氣膨脹并向發(fā)動(dòng)機(jī)后部逸出，產(chǎn)生極大的力量推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。第一架使用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的客機(jī)“彗星”（Comet）于1949年升空。

直升機(jī)

諾曼底的機(jī)械師保羅·科努（Paul Cornu）在1907年發(fā)明了直升機(jī)。他的直升機(jī)只能離地1.50米。1936年，德國?？斯緦?duì)早期直升機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，制造的設(shè)有固定機(jī)翼的大型雙旋翼橫列式直升機(jī)，時(shí)速可達(dá)100～200千米，但直升機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展要到1945年以后。它的優(yōu)點(diǎn)是：起落不需要跑道。服裝和紡織纖維

看看你穿的衣服上的標(biāo)簽。你不僅會(huì)發(fā)現(xiàn)尺寸、洗滌和干燥說明，也會(huì)看到制作衣服用的是什么材料。例如，你可能看到：100%棉，或80%棉和20%聚酯纖維，或70%丙烯酸和30%羊毛，又或是許多其他的組合。

天然材料和人造纖維

棉花、羊毛和亞麻都是天然材料：棉花和亞麻是生長在田間的植物，羊毛是從羊身上采集的。滌綸、腈綸或萊卡是人類為滿足生活需要而發(fā)明的人造纖維。

用蓖麻油代替石油

紡織品化學(xué)與綠色化學(xué)是可以兼容的。用棉或亞麻等天然纖維生產(chǎn)服裝會(huì)占用耕地、消耗水……棉花生長需要大量的水，僅生產(chǎn)一件棉質(zhì)T恤衫就要“耗費(fèi)”2900升的淡水！因此，必須用化學(xué)方法來創(chuàng)造新的纖維，從而減少資源消耗。但新纖維中有許多是用石油制造的，因此，有必要找到替代品。例如，一家法國公司生產(chǎn)的Rilsan聚合物，是由一種植物——蓖麻的油制成的。這種聚合物已成為尼龍的直接競(jìng)爭對(duì)手。蓖麻只能種植在與沙地接壤的區(qū)域，而這些區(qū)域原本是無法生產(chǎn)任何糧食作物的。因此，蓖麻不與糧食作物競(jìng)爭資源，也不需要太多的水。

運(yùn)動(dòng)員的服裝

在體育領(lǐng)域，化學(xué)也是非常重要的。運(yùn)動(dòng)員的服裝需要具有多重性能：

安全性：如滑雪運(yùn)動(dòng)員需要有防寒、防摔、防震的服裝……

舒適性：如跑步運(yùn)動(dòng)員喜歡穿輕薄的衣服，起到第二層皮膚的效果，能快速干燥，不會(huì)產(chǎn)生異味。

提升成績：如短跑運(yùn)動(dòng)員穿著減少空氣阻力的衣服比賽，可以將速度提升幾百分之一秒，從而登上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。

化學(xué)家合成的各種纖維用途廣泛，因?yàn)橐赃@些纖維為基礎(chǔ)的聚合物可以根據(jù)需要進(jìn)行塑形。例如，可以創(chuàng)建類似管道的中空纖維：由于用了更少的材料，紡織品會(huì)變得更輕，并能通過空氣保存身體熱量，因?yàn)榭諝獗幌拗圃谶@些纖維中，成了優(yōu)秀的隔熱劑。

溶劑

溶劑無處不在！ 在家里，它們常以油漆和指甲油（它們都是容易擴(kuò)散并迅速干燥的液體）的形態(tài)出現(xiàn)，還有著自己獨(dú)特的外觀（色彩均勻帶光澤）。順便問一句，你用什么東西卸指甲油？用能溶解指甲油的溶劑！溶劑也廣泛用于制藥和化妝品行業(yè)。在歐洲，人們每年會(huì)消費(fèi)幾百萬噸溶劑。

大氣中的溶劑

在一些油漆罐上，制造商向消費(fèi)者表明油漆將會(huì)釋放到大氣中的VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）的數(shù)量。而溶劑一般是具有揮發(fā)性的有機(jī)化合物，通常是易燃的（如汽油），對(duì)人類和環(huán)境都是有害的。因此，它們會(huì)污染房屋內(nèi)部的空氣（通過油漆、清漆和膠水）以及整個(gè)地球，因?yàn)橹扑帢I(yè)產(chǎn)生的廢物中，80%至90%都是必須回收的溶劑！

保護(hù)環(huán)境的解決方案

化學(xué)家們關(guān)心如何保護(hù)我們和我們的環(huán)境。他們正在尋找解決方案。

——甘油是生物燃料工業(yè)產(chǎn)生的一種廢料。將其作為溶劑使用也就相當(dāng)于是廢物再利用：這對(duì)地球來說是件好事。

——處于超臨界（既不是液體，也不是氣體，也不是固體）狀態(tài)的二氧化碳（即CO2）可用作溶劑。它的優(yōu)點(diǎn)是既無毒又不易燃。它可用于去除咖啡中的咖啡因：世界上50%的脫咖啡因咖啡生產(chǎn)使用到超臨界二氧化碳。

——為了減少我們對(duì)環(huán)境的影響，化學(xué)家們正在尋找來自植物世界的溶劑：農(nóng)業(yè)溶劑。

從甜菜中獲得的生物乙醇（也被用作生物燃料）就是一個(gè)例子。檸檬烯也可以在某些情況下使用，它天然存在于柑橘類水果的果皮中。檸檬烯可生物降解，且有好聞的氣味，你能想象一下聞起來像檸檬的油漆嗎？農(nóng)業(yè)溶劑是一種非常有趣的溶劑：它既無毒也不易燃。然而，它還不是理想的溶劑，因?yàn)樯a(chǎn)農(nóng)業(yè)溶劑要消耗非常多的能量，所以不能被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

少用溶劑，或者根本就不用！

當(dāng)化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)無法替代溶劑時(shí)，就會(huì)試圖減少使用溶劑。例如，制藥行業(yè)的化學(xué)家通過改進(jìn)一種抗抑郁藥（一種用于治療抑郁癥的藥物）的制造工藝，將溶劑的使用量減少了四分之三！歸根結(jié)底，最好的解決方案是停止使用溶劑來生產(chǎn)藥物等產(chǎn)品，想要實(shí)現(xiàn)不使用溶劑，仍有許多問題需要解決。

微生物來拯救我們！

微生物是在顯微鏡下才能看到的生命體，它們存在于我們周圍。下面我們將介紹兩種微生物：幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的菌根和用來制造玻璃的硅藻。

菌根的奇跡

植物的生存離不開磷，就像人需要蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪一樣。問題是，農(nóng)民們使用的肥料需要含有大量的磷，預(yù)計(jì)世界上儲(chǔ)藏的磷可能在未來40年內(nèi)耗盡。另外，肥料的過度使用還污染了土地和河流。幸運(yùn)的是，我們發(fā)現(xiàn)了菌根：它是一種微觀的真菌，看起來像一條長長的線。它附著在植物的根部，與之形成共生體系。菌根真菌的菌絲向植物根部周圍的土壤擴(kuò)張，增大了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收范圍。菌根將吸收的營養(yǎng)物質(zhì)傳遞給植物，如磷;同時(shí)植物也會(huì)為菌根提供生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，如糖。在墨西哥，通過在玉米田中添加菌根，可以減少75%的肥料使用量！此外，與菌根共生的植物會(huì)從空氣中吸收更多的二氧化碳。

用硅藻制造玻璃

幾千年來，玻璃和陶瓷都是通過在窯爐中以非常高的溫度（超過1000℃）加熱沙子或粘土制成的。這意味著制造玻璃必須耗費(fèi)大量的能源。有一種叫作硅藻的微生物可以幫助我們。硅藻是在海洋、湖泊和河流中大量存在的單細(xì)胞植物或藻類植物。它們能夠在溫和得多的條件下制造出美麗的玻璃殼，因此它們可以在室溫下生產(chǎn)這些生物材料！通過模擬自然環(huán)境，化學(xué)家們能夠利用硅藻來制造玻璃。