社会化学10

10.1.2
化学传感器
不仅信息的传输离不开化学，信息的获取同 样离不开化学。人们将信息的采集工具称为传感 器。化学传感器的种类非常多，尤其是在医疗、 环境等领域，化学传感器起着重要而独特的作用。 哪怕是“物理的”传感器，也需要现代化学 提供新型的材料。例如，可以接受红外信息的响 尾蛇导弹的传感器，既要对热非常敏感，又要耐 高温（导弹速度为2km/s，与空气摩擦产生1000℃ 以上的温度），新型的陶瓷传感器解决了这一问 题。
40年代 电子管， 50年代随着半导体材料的问世，出现了晶体管， 60年代有了单晶硅材料，开发出了集成电路。
在厚度仅1毫米左右的硅基片上，通过氧化、扩散等方法，沉 积上不同类型的半导体薄膜，再用掩膜、光刻等技术，在薄膜上高 密度地刻制不同的电子器件，如晶体管、电阻、电容等，建造了极 其复杂和功能齐全的集成电路。集成电路中，单个半导体器件的体 积为晶体管的几万分之一，电子管的一百多万分之一。
人脑的制造既是一个极复杂的过程，也可以说是一个 很简单的过程，因为将一个受精卵细胞置于适宜的营养环 境中，并等待几个月以后，一个脑就出来了。 但是，通过分子电子学的手段，制造出像人脑一样复 杂的装置，还有漫长的路，分子电子学尚在摇篮之中。目 前，许多分子电子学家甚至还不敢设计模仿大脑的计算机， 他们只是努力在分子级上制造出普通数字计算机。他们竭 力模仿数字计算机结构，因为数字计算机是研究得很透了 的“成熟”技术。数字计算机也比较简单，以二进位方式 存储数据，且基本上是按顺序处理数据。分子级装置有可 能实现高度互联性的并行处理。 未来，化学可能取得极大进步，分子电子学也将不断 成长。总有一天，分子计算机会成为现实。
第10章 信息科学与化学
10.1信息的采集与传输
人类社会进人信息时代，信息的采集、传输、 处理、控制和存储技术等环节是重要的信息技术。 信息的采集主要依赖各类传感器，其中化学 传感器特别重要； 信息传输的媒体亦是关键的信息技术，20世 纪传输媒体发生了革命性的进展，化学在其中的 作用可以说是关键性的。
分子电子器件
进入90年代以来，许多发达国家竞相投资，加紧研制开发“分 子元件”，目前已取得了许多成果。 化学家、物理学家和工程学家的一系列演示，已经表明单个分 子可以实现导电、开关和存贮信息等功能。 为处理二进制数据， 我们需要一种分子开关。 目前，科学家主要倾向于电控、温控和光控等类型的分子开关 的研制。一种氧化还原型电控开关，是利用化学物质蒽醌套索醚的 电化学特性。电化学还原使冠醚“胳膊”接通，而氧化作用又使其 断开，从而可处于“开”和“关”两种状态(见图)。由于其形状酷 似美国西部用来捕捉动物的套索，故称为套索醚 图 氧化还原型分子开关。 图 光控分子开关
分子电子学
由于有机合成化学家的努力，分子开关、分子导线以及分子整 流器和分子存储器的设计与合成等研究工作已经初见成效。 然而，制造出单个器件固然是非常重要的一步，如何将上百万 甚至上亿个各式各样的分子器件牢固地连接在某种基体的表面上， 同时按照电路图所要求的图形把它们准确无误地连接起来，组合成 功能电路，还必需解决一系列的重要问题。 这类器件的大规模集成电路会是什么样子，至今仍然没有确定 的看法。未来构建复杂分子器件包括连接分子器件的方法，很可能 与现有的工艺所采取的思路完全不同。 因此，构建一门新的学科——分子电子学是当务之急。分子电 子学集生物学、化学、材料科学和电子工程之大成，是一个跨学科 领域。化学在近两个世纪里所积累的丰富的化学合成方法与化学结 构理论，无疑将成为分子电子学和分子计算机技术发展的重要基础 之一。
图
光纤pH 传感器探头结构
光纤pH 传感器发展最早、最快，所占比例最大。光 纤pH传感器在生物医学分析领域尤其是体内检测方面获得 了广泛应用。
10.1.3化学信息素
一、生命靠信息维持
人和其它生物的生长、发育、繁殖、衰老以及新陈代谢等生命 活动都与体内分泌的激素(即化学信息)有着密切的联系。大脑的感 觉是靠神经的化学传递物质来完成，为神经递质分子所控制。生物 的遗传也是受细胞内的化学信息一一遗传密码所控制，生命靠信息 来喂养。 生物界的信息物质即生物的化学语言，它不仅作为生物界化学 通讯的工具，而且制约着生物的生长、发育、感觉及控制遗传变异 等重要生命活动。 人们对动物界某些信息传递，如声音(鸟语、兽语)、光电信号 (萤火虫、电鳗等)已经比较了解和热悉，其实，不同纲目的动物都 有自己独特的“化学语言”——外激素(Pheromones)。化学通讯存 在于整个生物界，特别是昆虫类，都是用化学通讯作为交换信息的 主要途径。 生物界的信息传递，大多数靠各种信息素完成。这些信息素都 与特定的化学物质有关，起着分子语言的作用。
10.1.1 从电缆到光缆
当信息以电子为载体时，信息传输的媒体是金属导线或金属波 导管，而当信息的载体是光子时，信息传输的媒体则是光导纤维， 简称光纤。 计算机网络的建立得益于光纤通信。 电通信（电缆、毫米波、微波通信系统）用铜作通信介质。其 容量满足不了要求。而光纤通信是用光作为信息的载体，让它沿着 光导纤维传输。一根比头发还细的光纤可能传输几万路电话或几千 路电视，其通讯容量比电气通信大十亿倍。光纤通讯保密性好，不 怕窃听。光纤通信中继距离长，用同轴电缆通迅，每隔1.5公里要设 一个中继站以防信号减弱，而光纤通讯中继站，间距起码超过10公 里，有的已近百公里。还有信号传送几千公里而不需增强的新型光 纤系统。光导纤维是最有生命力的信息传输材料，用它代替传统的 电缆，极大地提高了通讯技术水平。利用光纤还可节省大量的铜， 铜资源很紧张而石英遍地皆是，且只要几克石英，就可制成1公里 长的光纤。光纤还有重量轻，不怕潮湿，不怕腐蚀，柔软易铺设等 优点。
信息素
信息素是生物体为了对同种生物的其它个体特定行为 作出反应而释放出来的化学物质。它们的功能是作为交配、 报警、区域性显示、攻击、防御、巢栖、识别以及标记等 的通讯信号。 第一个被鉴定的昆虫信息素来自雌性家蚕。该信息素 含有两个双键不分枝C16醇(烯醇)结构。此后又鉴定了数 百种信息素，其中包括农业和森林主要害虫的信息素。信 息素的分离与全面的鉴定需要处理极微量的物质，如鉴定 四种棉子象鼻虫信息素，需要400万只象鼻虫和215磅粪便 物。人们用了30多年时间才弄清楚美洲蟑螂信息素，在该 工作中需要处理75000只雌蟑螂，最后得到的两种化合物 性诱剂只有0.2rng和0.02mg。
10.2 信息的处理和存储 现代信息传输必须通过计算机处理，计算机的 发展与化学更是密切相关。计算机的核心是集成电 路芯片，它是在化学合成硅单晶片上经过光刻生产 的，计算机的存储器材料也是化学合成的，其它部 件也用了大量合成高分子材料。所以，将美国信息 产业的基地称为“硅谷”是名副其实的。
10.2.1 计算机微型化
二、光纤是非常纯的玻璃纤维 光导纤维是一种特殊的玻璃纤维，其特殊性首先是“纯”。 用 普通玻璃拉制的纤维是不能导光的，其原因是导光材料中的杂质会 吸收光子，为此，在制造光纤时的首要任务是原料的提纯。 光纤的传输效率是伴随着化学纯化 技术的提高而提高的。 制造光纤的关 键技术是提纯，必须用化学方法将所 有原料（如四氟化硅(SiCl4)、三氯 氧磷（POCl3）和三氯化硼（BCl3） 等），以及制造过程中涉及的溶剂、 试剂等等，都提纯到9个9（99.9999 999%）以上。这是一项非常高的要 求，需要很高的化学提纯技术和化学 分析技术。 图 光缆的结构
二、光纤化学传感器
光纤作为远距离传输光波信号的媒质，在光通信过程 中发现光纤受外界环境因素的影响，如果能测量出光信号 变化的大小，就可知道导致这些变化的压力、温度、电场、 磁场等物理量的大小，于是就出现了光纤传感技术。它可 以测量多种物理量、化学量和生物量，具有广阔发展前景。 光纤传感器技术是20世纪80年代随着光导纤维实用化 和光通信技术的发展而兴起的一种新型传感技术。近年来， 在设计、制作工艺、试剂选择、检测方法等方面不断有新 的突破，涌现了许多新型传感器，检测物质的范围也不断 扩大，广泛应用于环境监测、生物医学分析和其它化学分 析过程中无机化合物或有机化合物的分析。
一、神奇的光纤 光导纤维其实就是一种比头发丝还细的玻璃纤维丝。其结构呈 圆柱形，中间是直径为8~50μm的纤芯，具有高折射率，外面裹上 低折射率的包层，最外面是塑料护套，外径为125μm。特殊的制造 工艺，特殊的材料，使光纤既纤细似发，柔顺如丝，又具有高抗拉 强度，良好的抗压能力。在性能上，对光波衰减小，可以多功能传 输声音、图像和文字，适应低温环境，抗电磁干扰，耐放射性辐射， 光波在光纤中传播不向外辐射电磁波，有极高的保密特点，信息以 光速传送，速度无与伦比，光通信比电通信的容量要提高1亿~10亿 倍，一根光纤能同时传输100亿个电话，或1000万套电视节目，容 量之大超乎想象。 根据专家估算，同样100m长的铜电缆和光缆，若传递信息的 频带宽为40000兆赫，则铜电缆需直径58mm的铜缆656股，总质量 为2197600kg，电缆外径为1458mm，价格为1312000美元；而光缆 只要一根直径为8.7mm的光纤，总质量仅为6.6kg，价格只要680美 元。再作一个比较，一根1km长，直径125μm的光导纤维，仅重 30g，其重量是相似功能的铜电缆的十万分之3，价格为铜电缆的万 分之5，差别十分悬殊，为人类带来的财富难以估算的。
Байду номын сангаас
70年代来末，又开始出现了大规模集成电路。 80年代以来，集成度得到了不断的提高，从而使计算 机在功能迅速提高的同时，体积进一步变小，笔记本电脑 早已投入商用。在集成电路制造过程中，硅单晶的超纯、 无位错和大尺寸起着十分关键的作用，而这些极大地依赖 于化学科学。
10.2.2 分子计算机
从计算机发展的历史不难看出，新材料的出现，往往可以导 致计算机的升级换代，因此，在制作材料上必须获得新的突破。如 果我们能够在分子水平上生产电子器件，就有可能接近人脑。所以， 我们应该从观念和技术上彻底抛开传统的硅半导体电子器件，进而 研究分子计算机，再进而发展基于有机或生物大分子的生物分子计 算机。 芯片上的晶体管虽然非常小，但是如果和分子器件相比，它就 太大了。假设现在的晶体管相当于布满文字的一页纸，分子器件大 约只相当于其中的一个句点，即使像现在技术界提出的，12年内硅 晶体管的尺度可能缩小到120ｎｍ的水平，但是硅芯片和分子器件 相比，仍然要大60000倍！ 实际上，分子级的器件——生命的机器早已存在。每一种生命 体都经过了上亿万年的生存竞争和适应进化，具备了一整套适应自 然的物理化学机制，同时也极具信息处理能力。 凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。此外， 分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。