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材料人文

材料科學與人類生活


人類的生活演進,除了思想觀念之外,物質的發明扮演着相當重要的角色。自從遠古時代人們使用石器開始,材料就和人類生活結下不解之緣。再經過青銅器時代,鐵器時代而到高溫超導體出現的今日,材料無不日新月異地被髮明與改革。人們也因爲材料的進步而改善了生活的狀況。

農業時期,科技不發達,一切以手工做事。漸漸地,機械的發展使人類有更快速、簡便的製造工具。工業時期,機械取代了手工,勞力需求也減少;到了現在,勞力密集轉換成技術密集,民生消費產品,尤其在娛樂生活方面更爲人們所重視。因此,在這一連串產業型態的轉變下,材料的發展便扮演了極重要的角色,同時也顯示出材料與人類生活的密切關係。

材料的沿革與發展

從歷史上的舊石器演進到新石器,再由新石器進步到現今高度科技發達的世界,材料一直在不斷地進步發明中,亦可以說是人類文明的代表。所以,可藉由某一時期所用的材料去判斷那時期的科技發展情形或者是人類生活的狀況。而在今日的社會,材料科學的發展更顯出其重要性。例如現今大樓中,紛紛要求「防火」建材,可知材料科學亦在人類生活的安全上佔有不可忽視的地位。又如電子組件的演進,從體積非常大的真空管、晶體管進步到集成電路(IC化),不僅爲現代的科技另造高峯,同時也使得電器用品趨於小型化、輕巧化、功能強、易於攜帶等種種好處。所以說人類的生活確實是與材料科學有關。

隨着科技日新月異,許多新科技發展的材料愈來愈常應用於人類日常生活之中。因爲人們日常生活中所需用到的種種物品皆是由許多不同材料所組成,可能是傳統的,也可能是新研發出來的。但不論是何種材料,其優缺點、好與壞,都直接或間接地影響到我們的生活。而除了日常生活,在國防或科技方面,材料科學亦爲一不可忽視的重要課題。另外在醫學工程及環境保護上,材料科學的發展亦對其有極大的助益。至於在航天科技及信息網絡的應用上,材料科學的發展更是佔有舉足輕重的地位。

大致而言,材料的發展可分爲三個時期:

(一)分離型:材料單純而簡單,可直接視爲單一材料,只對本身的特性加以應用,而材料的組成只有一種,不摻雜任何材料,即金屬是金屬,陶瓷就是陶瓷。

(二)混合型:是由二種或二種以上的材料所組成,應用彼此間特性的相結合而發展出的新產品。

(三)融合型:是由多種材質合成在一起,已經不能分辨異種物質的材料,是一創造發明出的新材料。

由於材料發展不斷推陳出新,各種應用更是處處可見材料的蹤影,而且對人類生活的影響更是深遠。所以,材料科學不僅僅是一門學問而已,它的發展與我們的生活息息相關且密不可分。

應用方面

材料的應用非常廣泛,且對於人類的生活影響也非常深遠。舉凡日常生活的食、衣、住、行、育、樂、醫療、通訊以至軍事國防及太空發展……等等,無一不與材料有關。以下便逐一分類說明材料對人們生活的影響及其應用的層面:

(一)在日常生活方面:

生活中食、衣、住、行、育、樂等用品和我們所使用的材料有着很大的關係;如衣服的製造原料原本是取之於天然的絲棉,但是由於耐龍、特多龍及人造纖維的發明使得衣服的質料愈加地舒適與保暖。在房屋建築上,防火建材的研發使得我們住得更安心,另外建築物的防震設計越來越堅固,使得我們生命獲得更好的保障。碳纖維材質應用於製造腳踏車,使原本已趨向夕陽工業的腳踏車工業又變得繽紛燦爛;而未來磁浮列車的開發可讓我們的交通更安全與快速。在娛樂方面,視聽產品光盤CD(CompactDisc)、影碟LD(Laser Disc)等不斷地發展,使得我們的生活更享受。

(二)在家電用品方面:

由於半導體工業的發展,使電子材料從原本體積大的真空管時代經過了晶體管到現在的集成電路(IC化)時代,不但使體積大大地縮小,附加的功能也跟隨之提高。輕薄化、小型化、速度快及易於攜帶等功能,改善了以前笨重、功能少且不易搬運等問題。如計算機的發展過程中由原本體積龐大到要一個房子才容納得下,進展到可放置於桌上的個人計算機或筆記型計算機,且功能更強,執行速度更快。又如電飯鍋、洗衣機都有Fuzzy的功能,使用的過程更加人性化。音響設備,如收音機、隨身聽的發明,使得我們易於攜帶且不再侷限於只能在室內使用。液晶顯示材料的發展增加了視覺的效果。而可錄式CD材料的研發,因其具有高密度、低損耗等優點,所以廣受開發製造。

(三)在通訊方面:

由於科技及信息快速地進步發展,信息的獲得可藉各種通訊設備來傳達,如衛星通訊、網絡聯機、無線與有線通訊及光纖通訊的開發應用皆使信息傳播得更快速、更精確。而這些皆有賴於材料適當地開發及運用。

(四)在醫療方面:

人類生、老、病、死少不了就醫及身體健康的維護,因此各種生化、生醫儀器及傳感器便因應而生,如檢測人體內之血液,血壓,pH值……等。另外激光技術應用於醫學上的切割、開刀手術;陶瓷做的假牙、人工骨、人工關節及齒列矯正的材料皆有進展。而由於傳感器應用於醫學上的偵測,能使病人的檢測更便捷、更精準以提高醫療效果,另外也由於材料的改進發明使得人工義肢、器官等更能與人體適應使病人感到更舒適,同時也延長了人類的壽命。

(五)在環境保護方面:

由於人口與日俱增,可用的土地及資源有限,爲了要讓地球生生不息,就必須發展環境材料及污染傳感器以維護環境品質。環境材料是指對資源和能源消耗最少、生態環境影響最小、再生循環利用率最高、或可分解使用的具有優異使用性能的新型材料。所以廢棄物的回收再利用更是值得開發,如再生紙,鋁製汽車……等。至於環境品質檢測上,如氣體傳感器可用來測定有毒氣體和汽機車廢氣排放量及工廠的排氣,另外水質污染傳感器及噪音分貝機的發明,都能使我們迅速得知周遭環境的品質。如去年日本地鐵的毒氣事件中,若事先有裝設氣體傳感器就不會造成如此大的傷亡了。

(六)在能源方面:

由於煤、石油、天然氣的發現,使得人類的能源問題暫時獲得解決。但許多發展中國家正相繼進入經濟高速增長期,對資源、能源的需求將進一步遽增,由此造成的資源能源短缺問題會日益嚴重。預計到二十一世紀末,將會出現石油、天然氣等石化燃料的枯竭。而如何去找尋一個替代品是目前相當重要的課題,所以現在正極力開發運用太陽能、水力、風力來發電以獲得能源。而太陽電池便是利用非晶硅之類的材料做成的,太陽光電能所提供的不僅是能源,並且對環保頗有貢獻,在有限的傳統能源及環境污染問題日趨嚴重的情況下,開發並使用無污染的太陽光電能乃勢在必行。

(七)在軍事國防方面:

軍事武器日新月異不斷進步,如何發展出更安全、更快速、更精確的武器,是國防科技的重點。而國防利技的發展已使得戰爭不再像以前的肉搏戰了。如紅外線光罩的發明,因其能避免受空氣中水分子、一氧化碳的吸附,以及受懸浮粒子的撞擊而損耗,所以更能精準偵測以防衛國家。而在雷達偵測方面,更爲國家安全提供很好的預警。

(八)在太空發展方面:

飛機的發明使得我們往來各地更加便捷,而航天飛機的發明使我們能對外層空間加以探測,衛星的發展更爲地球表面的探測以及信息的傳遞提供了很好的中繼站。而這些都是由於材料發展的結果,如鋁合金、鈦合金的輕巧耐高溫等優良特性,已都應用於航天工業上。

結語

總之,材料科學應用的範圍實在太多了,從日常生活的食、衣、住、行到軍事國防,無不與材料發生關係。而除了上述的應用之外,目前更積極研發新材料,如高溫超導材料、鑽石膜材料以及附有人工智能的材料,而新材料勢必將主導未來的世界。

材料是工業的基礎,材料科學的發展是具前瞻性的,是走在時代的尖端,它決定了人類的生活方式,爲人類的未來生活畫出藍圖,使人類的生活品質不斷地提升。所以說材料科學對人類生活的影響甚巨,以前如此,未來更是如此。




發佈時間:2009-06-19 瀏覽:

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