1.5 辦公室

●　紙張和廢紙：紙張中的化學

經過一小段路程，伴隨著對藍天、冰、鹽、汽油和安全氣囊沉浸式的思考，你來到了辦公室。雖然每天早上都能看到辦公桌上亂七八糟的樣子，但你仍然會驚歎於有這麽多廢紙。在沒有電腦之前，情況更加糟糕。信息技術的出現大大減少了紙質文件的流通和數量，但紙這種材料仍然作為傳遞信息的媒介發揮著重要作用。

在古代，最早用於繪畫和書寫的材料是石頭和泥板。自公元前3000年以來，埃及人就使用莎草紙作為書寫材料，這種材料由同名的沼澤植物紙莎草（Cyperus papyrus）的莖製成。希臘人和羅馬人也使用莎草紙。從公元3世紀起，羊皮紙的使用開始普及。羊皮紙由羔羊皮、綿羊皮或山羊皮經石灰浸漬後幹燥打磨而成。真正意義上的紙張是由中國人發明的，並於12世紀開始大規模傳播。

一般來說，紙是由各種纖維混合壓縮（氈合）而得。中國人最開始以蠶繭為原料，後來改進為用桑科植物（例如構樹，Broussonetia papyrifera）和其他植物的皮。已知最早的紙張樣本可以追溯到公元150年，是用破布製成的。從8世紀開始，紙張的使用首先在日本和小亞細亞傳播，然後在地中海非洲、西班牙和後來的整個歐洲傳播。

阿拉伯人將紙張引入歐洲，在西班牙和意大利的西西裏島建立了最早的造紙廠。12世紀，波利瑟·達·法布裏亞諾（Polese da Fabriano）在博洛尼亞（Bologna）附近的雷諾（Reno）河邊建立了一家造紙廠。1455年發明的活字印刷術[3]推動了隨後幾個世紀的紙張生產。1798年法國發明家尼古拉斯·路易斯·羅伯特（NicolasLouis Robert）發明了第一台造紙機，然後在1803年由英國的出版商兄弟喬治·福德裏尼埃（George Fourdrinier）和西利·福德裏尼埃

（Sealy Fourdrinier）進行了完善。在當時，紙張用破布來製備，但很快由於產量的增加導致了原材料的匱乏，於是他們嚐試尋找新的原材料。1840年左右，人們開始使用木頭造紙。時至今日，大部分紙張也仍是由木頭製成。

木材是一種含有多種物質的複合材料。其中主要有纖維素

（cellulose，約45%）、半纖維素（hemicellulose，約30%）、木質素（lignin，約20%）及其他揮發性較強的成分（約5%），如萜烯、樹脂、脂肪酸。我們在第一章第3節中已經提到，纖維素是一種多糖，由葡萄糖分子通過β-1,4糖苷鍵（β-1,4 glycosidic bond）連接組成，然後這些葡萄糖分子聚合鏈通過氫鍵相互平行地結合在一起（圖15）。

圖15　纖維素分子鏈結構

半纖維素也是一種多糖，但結構比較不規則。纖維素隻由葡萄糖分子構成，但半纖維素的構成中還含有其他單糖。另外，它是支鏈結構而非纖維結構。木質素是一種主要由酚類單體組成的複雜聚合物。其中的單體主要有對香豆醇（p-coumaryl alcohol）、鬆柏醇（conifery alcohol， 4-羥基-3-甲氧基肉桂醇，4-hydroxy-3methoxycinnamyl alcohol）和芥子醇（sinapyl alcohol， 4-羥基-3,5二甲氧基肉桂醇，4-hydroxy-3-dimethoxycinnamyl alcohol）。

為了製備紙張，必須去除木頭成分中的木質素。這可以用機械方法和化學方法來實現。

在機械方法的處理（磨解）中，通過將去皮後的木材（楊木或杉木）緊壓在磨木機的旋轉磨石上粉碎來磨解木材纖維。處理後就得到了一種類似於鋸屑的糊狀物（稱為機械漿），然後經過精製以使纖維更細小，隨後進行漂白。所謂的化學漿（或稱為纖維木漿），就是將削成片的木材與適當的試劑（如氫氧化鈉和硫化鈉）放於高壓釜內，在高溫下經過蒸煮製得。在此過程中，木質素和其他物質被去除，得到了幾乎純淨的纖維素。由這種紙漿製成的紙非常結實，這也是製牛皮紙（Kraft，在德語中是“結實”的意思）的工藝。但是這種工藝過程中使用的硫化鈉會產生帶有臭雞蛋味的有毒物質硫化氫，進而帶來環境問題。另外，此過程隻有50%的木材被轉化為紙漿，所以紙張產量很低，還會產生大量的廢水。但是，我們也在嚐試利用這些廢料產生能量以用於工藝生產過程本身。

所謂的半化學漿是由闊葉木（山毛櫸和楊樹）的木片經過類似於化學漿的工藝生產出來的。但半化學製漿是不完全的蒸煮，也就意味著有一定量的木質素殘留。半化學漿的質量不如化學漿，通常用於製造新聞紙、印刷紙、瓦楞紙板等其他產品。最後，還有所謂的“高得率漿”，製作這種木漿無須分離木質素，隻需要通過化學處理（有時還需要高溫蒸煮）將其軟化即可。

木漿製得後就要進行漂白（beaching）。過去使用的漂白劑的成分為次氯酸鈉（NaClO）或二氧化氯（ClO2）。現在為了避免水汙染則使用過氧化氫（H2O2）作為漂白劑，並將廢水回收處理。

漂白後的木漿要進行打漿。用濾網處理懸浮在水中的紙漿纖維，水從孔隙中漏出去後纖維則沉澱在濾網表麵。在造紙廠中，一係列的輥棒帶動濾網循環運轉，從而使整個過程得以連續。紙漿纖維層經幹燥、壓製後，卷成卷或切割後疊在一起。放置水和紙漿纖維混合液的容器叫打漿機（pulper）。根據要製備的紙張類型，還可以添加適量的廢紙在裏麵，但這些廢紙事先是經過淨化的，或者還有可能通過蒸汽工藝脫過墨。

這樣得到的原紙表麵吸水性很強，不適合書寫或印刷。因此必須使用各種添加劑進行特殊的表麵處理。這些添加劑塗在原紙表麵，形成所謂的塗布紙（patina）。所用的各種添加劑可以包括澱粉、聚合物[如聚乙酸乙烯酯（polyvinyl acetate）]或其他物質（如高嶺土）。雜誌紙就是這樣處理製成的，印刷後的紙張塗上一層透明的膠料，就能獲得有光澤的外表（就像封麵一樣）。塗布後，紙張必須進一步幹燥，並且根據用途還可以進行其他特殊處理。

紙張一般根據克重來分類，克重是指每平方米紙的重量。克重值可以從10克/平方米（厚度為0.03毫米的紙張）到150克/平方米（厚度為0.3毫米的紙張）不等。對於厚度為2毫米的紙張，克重值可以達到1200克/平方米。普通複印紙一般為80克/平方米。

●　桌上的照片：攝影中的化學

當你還在感歎著辦公桌上大量雜亂的紙張及思考著它們是什麽來源的時候，你的目光停留在兒子還在蹣跚學步時的照片上。

因為是幾年前的照片了，所以它是一張傳統照片而非數碼照片。除了回想起孩子的童年，你還想起了以前自己衝洗黑白照片的時候。攝影也有一段傳奇的曆史[38]值得我們簡單回顧一下，以此來向大家說明一個簡單的圖像背後有多少化學反應。

任何相機，無論是傳統相機還是數碼相機，發揮功能的基礎都是相機暗箱。這種光學儀器由一個帶小孔（稱為針孔）的密封箱構成，會在小孔對麵的內壁上產生孔外部的倒立圖像（我們的眼睛也以類似的方式工作，在我們的視網膜上產生我們看到的畫麵的倒立圖像）。相機暗箱的發明比較早，可以追溯到11世紀。在小孔上裝上透鏡可以大大提高所獲得的圖像質量。從達·芬奇（Leonardo da Vinci， 1452—1519）開始，許多藝術家通過在紙上描摹圖像來準確地體現真實感。而困擾很多學者的問題就是如何把從暗箱中得到的圖像固定下來而不用重新進行描摹，這直到19世紀才開始取得可喜的成果。

1725年，德國科學家約翰·海因裏希·舒爾茨（Johann Heinrich Schulze， 1687—1744）將石膏、銀和硝酸混合，得到了一種在光照下會變黑的物質，他稱它為“黑暗的攜帶者”（scotophorus）。

英國科學家托馬斯·韋奇伍德（Thomas Wedgwood， 1771—1805）與同是英國人的化學家漢弗萊·戴維爵士（Sir Humphry Davy， 1778—1829）合作，成功地用銀鹽將圖像固定在皮革或玻璃上，這就是所謂的“光照圖像”。

從1816年開始，法國人約瑟夫·尼塞爾·尼普斯（JosephNicphore Nipce， 1765—1833）和他的哥哥克洛德（Claude）一起把注意力集中在氯化銀的性質上。實際上，這種鹽對光很敏感，會因為金屬銀的釋放而變黑。他將這種化合物在紙張和其他物品上做了多次嚐試。尼普斯還研究了猶太瀝青的性質。1826年，尼普斯將這種物質塗抹在一塊錫板上並曝光約8小時，成功地獲得了一張圖像，這張圖像展示了他在勒格拉斯（Le Gras）[位於聖盧普德·瓦倫內斯（Saint-Loup-de-Varennes）附近]的工作室的窗外的屋頂景色，這是目前已知的最古老的照片，保存在得克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的哈裏蘭森（Harry Ransom）中心。尼普斯稱他所獲得的圖像為日光圖（Heliograph）。大約在同一時間，法國藝術家和化學家路易斯·雅克·曼德·達蓋爾（Louis-Jacques-Mand Daguerre， 1787—1851）也開始嚐試固定暗箱的圖像，並與尼普斯開始了書信往來。1829年，尼普斯和達蓋爾共同成立了一家公司，專門從事新攝影技術的開發。1837年，在尼普斯去世後，達蓋爾成功地開發了一種新技術，這種技術後來被稱為達蓋爾攝影法或銀板攝影法（daguerreotype）。該技術是將鍍銀的銅板暴露在碘蒸氣中，在表麵形成一層碘化銀（光敏材料），經過長時間的曝光後，再用水銀蒸氣對板子進行處理，使之前暴露在光線下的區域變白，最後用硫代硫酸鈉（Sodium Thiosulfate）溶液處理，消除碘化銀的殘留使圖像穩定。但要觀察所產生的圖像，必須從一個可以適當反射光線的角度觀察。此外，這些銅板比較脆弱不牢固，所以必須放在玻璃板下存放。在達蓋爾之前的幾年，英國人威廉·福克斯·亨利·塔爾博特（William Fox Henry Talbot， 1801—1877）曾取得了有趣的成果。他先用氯化鈉，再用硝酸銀處理一張紙，得到的紙張表麵有一層氯化銀，使紙張變得對光敏感。將某些物體（如布料花邊或羽毛）放在紙上，再放在光線下照射，這樣就可以固定物體的影子。塔爾博特稱這些圖像為“影子攝影”（sciadografia，來自英文陰影“shadow”）。但是，塔爾博特無法解決一個問題，那就是這些圖像無法永久固定住，顯像時間很短，一段時間後就會消失。這個問題的解決要歸功於德國人威廉·赫歇爾（William Herschel， 1738—1822），他選擇用硫代硫酸鈉處理圖像，並引入了“定影”（fixation）一詞，這個詞至今仍在使用，表示對攝影圖像進行穩定處理。同樣也是赫歇爾引入了“照片”（photography）一詞來表示用光獲得的圖像。正如我們前麵所看到的，這種圖像在以前有各種不同的叫法。

達蓋爾希望將其發明用於商業用途，但同時他不想透露銀板攝影法的技術方法。於是他想到了求助於法國政府，政府必須購買版權並讓大家都能使用這項發明。他找到了物理學家弗朗索瓦·阿拉果（Franc?ois Arago， 1786—1853），他既是著名的科學家，也是君主製政府議會中的左翼反對派代表。1839年，阿拉果將達蓋爾的發明交給了法國科學院，並意外引起了當時的內政部部長坦內蓋·杜沙泰爾（Tanneguy Duchatel）的興趣。部長之所以感興趣，是因為想到能夠將達蓋爾的發明用於司法領域，記錄罪犯的信息。因此，這項發明被法國政府購買，達蓋爾獲得了金錢和榮譽，尼普斯的兒子也獲得了終身年金。

從19世紀下半葉開始，攝影技術發展迅速。1851年，英國人弗雷德裏克·斯科特·阿徹爾（Frederick Scott Archer，1813—1857）提出了一種用濕潤的火棉膠（在乙醇中加入硝化棉）進行攝影的方法（火棉膠攝影法）。這種方法可以獲得比銀板攝影法更清晰的圖像，最重要的是用底片可以大量印製出相同的照片。

1859年，德國化學家和物理學家羅伯特·本生（Robert Bunsen， 1811—1899）和英國化學家亨利·恩菲爾德·羅斯科（Henry Enfield Roscoe， 1833—1915）引入了鎂閃光燈，可在極短的曝光時間內拍攝照片（鎂閃光是一種化學反應：鎂粉和空氣中的氧氣發生反應而產生出非常強烈的光線）。

1861年，英國物理學家麥克斯韋通過加色法，用3種不同顏色（紅、綠、藍）的濾光器第一次拍攝出了彩色照片。相反，1869年，法國人路易斯·迪克·迪奧隆（Louis Ducos du Hauron，1837—1920）則提出了減色法。在這些發明問世的同時，攝影設備的構造技術也取得了相當大的進步。

銀鹽，尤其是由銀和鹵素組成的鹵化銀的獨特性質是傳統膠片攝影的基礎。鹵素（halogen）是元素周期表中第七主族的元素：氟、氯、溴和碘（還有砹，但由於其具有放射性，所以攝影中不使用）。當存在於感光乳劑顆粒中的鹵化銀受到光的照射時，它會部分分解出金屬銀。每一顆曝光的顆粒釋放的金屬銀非常少，幾乎看不見。所有感光顆粒的集合構成了所謂的潛影（latent image）。之所以稱為潛影，是因為它是一種看不見的影像。為了使其真實可見，必須進行顯影（develop）操作，即用還原性物質[通常使用對苯二酚（hydroquinone）]處理乳劑。顯影液會使（已經形成過銀的）感光顆粒釋放出額外數量的銀，而對沒有感光的顆粒沒有影響。這樣，膠片上就出現了由黑色金屬銀沉積形成的真實圖像。曝光比較多的地方會顯得比較暗，沒有曝光的地方就會顯得比較明亮，這就是負像（negative image）。但是這種圖像在光照下是不穩定的，因為殘留在照片上的鹵化銀見光後仍能感光而變黑。這時就需要進行第二次處理徹底消除鹵化銀：也就是所謂的定影。定影是用硫代硫酸鈉（Na2S2O3）作為定影液，硫代硫酸鈉能與鹵化銀發生化學反應形成可溶的複合物，這種複合物可用洗滌水衝洗掉，這樣就可以得到帶有負像的膠片了。要得到正像（positive image，也就是與拍攝場景一樣）就必須進行印刷。可以直接將膠片與相紙接觸或者是用放大燈將放大的膠片圖像投射到相紙上，然後再進行照明。相紙和膠片一樣，也有一層以鹵化銀為基礎的乳劑。相紙曝光後就將其依次放入顯影液和定影液中，最後得到正像。正像中曝光多的部分較亮，曝光少的部分較暗，就像在現實中一樣。

為了獲得彩色照片，我們使用了3層疊加的鹵化銀（感光乳劑），每一層都加入了一種特殊的染料。還有一種特殊的顯影液，叫作顯色劑（cromogeno），它除了還原鹵化銀外，還能使各敏感層形成顏色。這樣就得到了帶顏色的負像，隨後的印刷再產生正像。如果你願意，還可以通過特殊的反轉衝洗（reversal development）在膠片（反底片）上立即獲得正像。

●　數碼攝影：CCD傳感器和CMOS傳感器

如今，傳統的“化學”攝影在很大程度上被數碼攝影所淹沒，幾乎成了回憶。即使是柯達（Kodak）這樣的工業巨頭，也因無法適應新技術而為其缺乏遠見付出了慘重的代價。但是，要是有誰認為化學與今天的數碼攝影無關就大錯特錯了。首先，構成數碼相機電子元件的材料中就有很多化學成分。與傳統相機不同的是，數碼相機沒有膠卷，而是采用光敏傳感器將光信號轉化為電信號，從而轉化為數字圖像信息。這些傳感器基本上可以分為兩種類型：CCD傳感器（Charge Coupled Device，電荷耦合器件圖像傳感器）和APS-CMOS傳感器（Active Pixel Sensor-Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體-主動式像素傳感器）。CCD傳感器也被廣泛應用於掃描儀（就像放在你辦公桌上靠近你孩子照片的那台機器一樣）和傳真機中。

CCD（電荷耦合器件）是於1969年由著名的貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉·博伊爾（Willard S. Boyle， 1924—2011）和喬治·史密斯（George E. Smith，生於1930年）所發明的。次年他們研製出第一台原型機，並於1975年製造出了第一台帶CCD傳感器的攝像機，其畫質適合電視拍攝。此後，CCD傳感器迅速普及，現在已經成為所有能夠攝像和攝影的數碼設備的核心。2009年，博伊爾和史密斯也因此發明而獲得諾貝爾物理學獎。CCD傳感器是在進行P型摻雜的矽片（半導體）基礎上製成的（見第一章第1節）。在矽片表麵覆蓋薄薄的一層二氧化矽作為絕緣層。二氧化矽層上麵是微小的電極，稱為柵極（gates）。當光線照射到CCD傳感器上時，單個光子會從矽中釋放出電子（光電效應）。由於相鄰柵極之間的電勢差，這些電子都積累在“單元”中。每一個單元都構成了一個感光的圖像元素（light-sensitive picture elements）或者說像素（pixels），也就是圖像被分解並隨後重建的最小單位。然後，積累在CCD傳感器中的電子電荷（入射光越強，電荷越多）會被送到電子控製電路中進行處理。進行這種處理的組件是讀出裝置（readout station）。

我們也可以了解一下CCD傳感器是如何傳回彩色圖像的，這非常有趣。每個像素都被彩色濾光片覆蓋，隻有特定顏色的光線通過才是透明的。這樣一來，隻有當像素被與濾光片一樣顏色的光照射到時才會被激活。通過紅、綠、藍三種顏色的濾光片的特定分布（拜耳濾色陣列，filtration pattern di Bayer），就可以知道到達CCD傳感器每一個點的紅、綠、藍三色光的強度。這些信息一旦被數字化，就可以在計算機或其他設備的顯示器上重現彩色圖像。通過紅、綠、藍三色（三色版印刷，tricromia）的疊加混合，可以得到多種顏色，從而使得到非常逼真的圖像。

APS-CMOS傳感器（主動式像素-互補金屬氧化物半導體傳感器）是20世紀60年代由在奧林巴斯（Olympus）公司工作的中村恒（Tsutomu Nakamura）發明的，並在隨後的幾年裏由其他研發人員進一步完善。它由一個集成電路和一個像素矩陣組成。每一個像素內都包含一個光傳感器和一個信號放大器，放大器的功能是加強單個像素的信號，因此，這被稱為主動式像素（active pixel）。而在集成電路中有一個模擬數字轉換器和一個數字控製器。

CCD和APS-CMOS傳感器的主要區別如下：CCD圖像質量較高，噪聲較小，而CMOS的噪聲較大；CCD功率消耗較大，而CMOS允許低功耗工作；CCD的價格要比CMOS貴一些，盡管CMOS的結構比CCD複雜。不過，近年來各家公司在技術上的巨大努力使得這兩個係統具有更強的競爭力。

除了在攝影機（無論是傳統的化學攝影還是數碼攝影）的圖像檢測係統和記錄係統內，化學從數碼照片印刷出現那天起就一直在照片印刷中扮演著重要的角色。而現在除了使用帶有各種技術（噴墨、激光、熱升華等）的打印機，從數碼照片開始，許多印刷廠一直在使用的方法就是將乳劑相紙通過放大機進行光學曝光，然後浸泡在藥水中顯影和定影。

●　影印：曆史發展、光電導效應、墨粉、鐵磁流體

當你處於對家庭生活的回憶和攝影技術的思考之中時，工作職責喚醒了你，你想起還有積壓的工作要做呢。剛好你需要複印一份文件以便存檔。你走到複印機前，放進一頁文件，然後按下啟動按鈕。現在複印文本已經變得很平常，不再引人注目了。然而在這一係列操作的背後趣味橫生，毫無疑問，就是其中的化學知識！

目前的複印機利用了靜電複印（幹印術，Xerography）技術，這個名稱源自希臘語ξερ??（xerós），意為“幹燥”，以區別於早期使用化學藥水的複製技術。靜電複印是基於物理學家、紐約專利律師、業餘發明家切斯特·卡爾森（Chester Carlson， 1906—1968）的想法。據說他患有關節炎但又要經常用手抄寫枯燥的文件，所以他努力尋找一種有效的圖文複製技術。1938年，他申請了一項專利，專利中他使用了鍍有硫黃的鋅板，並利用了物理中的光電導效應（photoconductivity）。卡爾森想將他的想法商業化，但一開始並沒有成功。1944年，他從一個非營利組織那裏獲得了資助，憑借此資助他得以完善他的專利技術。1947年，紐約的一家小公司——哈羅依德（Haloid）公司購買了這項當時被稱為電子照相（electrophotography）的發明專利。然而，這個名字從商業角度來看並不吸引人。因此，在一位古典語言教授的建議下，改成了靜電複印機（xerography）。1948年，小企業哈羅依德注冊了“施樂（Xerox）”商標，1949年開始銷售第一台複印機，並取得了巨大成功。施樂公司很快就成為全球巨頭。

靜電複印中利用的光電導效應的原理是：當一些材料用適當頻率的光照射時，它們的導電性會增加。半導體就具有此特性，當它們吸收光子時會產生電子-空穴對（見第一章第1節）。入射光頻率的能量必須與價帶和導帶之間的能隙的能量相對應。我們發現最初卡爾森使用的硫黃就是一種光電導材料。但具有最佳光電導性的是硒（selenium）。硒在元素周期表中與硫同屬第六主族，於1817年由瑞典化學家永斯·雅各布·貝采利烏斯發現。硒的名字來自希臘語Σελ?νη（Selne），是“月亮”的意思。之所以這麽叫，是因為它在熔化後經冷卻就會出現類似於銀的金屬光澤，而在以前煉金術士就常把銀與月亮聯係在一起。

現代複印機的活性元件就是硒鼓（塗有一層硒的鋁輥）。輥筒表麵通過高壓充電而帶負電荷。曝光燈照亮原文件，文件紙麵上的白色區域將光反射到感光鼓（硒鼓）表麵（而書寫有字的部分不會）。硒鼓被光照亮的區域會變得有導電性，它會向地麵放電失去電荷。硒鼓上未受光照的區域（原文件的書寫部分）仍然帶電，這樣就在輥筒上形成了一個由電荷分布組成的文件潛像。複印機的墨粉由含有碳顆粒、氧化鐵和熱敏樹脂的細粉組成。墨粉帶正電，當它被施加到輥筒表麵時，隻會黏附在帶負電的區域，這個區域就是原文件上寫字的區域。這樣一來，虛擬的文字圖像就轉化為真實的圖像。輥筒上的真實圖像被轉移到一張預先帶有負電荷（比輥筒上的負電荷含量更多）的紙上。但此時由於墨粉未固定，複印件上的字體仍不穩定。為了固定它並使其穩定，使用覆蓋有不粘材料的熱輥將紙片壓緊並加熱。加熱會使墨粉熔化並牢牢地粘在紙上，從而形成跟原件一模一樣的複印件（這就是為什麽複印件從複印機裏出來時是熱的）。複印的最後一個階段就是清潔輥筒（用橡膠刮刀清除殘留的墨粉），並通過強光將其徹底放電。清洗完畢後，輥筒就可以進行下一次複印了。

進行彩色複印是一項技術挑戰，直到20世紀70年代才得以實現。它利用了減色合成技術，使用4種不同顏色的墨粉：黑色、黃色、品紅色和青色。在舊的彩色複印機中，使用了4種不同的靜電輥，每一種靜電輥都能產生出一種特定的顏色。但最近，為了實現更好的性能和更低的成本，人們已經研發出單輥彩色複印機。隨著信息技術的出現，複印機融合了圖像掃描儀（使用CCD傳感器）和普通打印機（通常為激光打印）的功能。

我們所說的墨粉在普通的電腦打印中也被廣泛使用：墨粉被打印頭噴到紙張上，加熱後就會被固定下來，這與複印時所用的方法類似。墨粉中的氧化鐵發揮著重要的作用，因為氧化鐵具有磁性，可以利用專門產生的磁場在紙上精確地排列墨粉。磁性會使墨粉變得非常有趣。如果將其分散在低密度的植物油或潤滑油中，就可以得到鐵磁流體（ferrofluid）。鐵磁流體是一種在磁場存在時強烈極化的**，一般是通過較小的鐵磁顆粒（如墨粉中的氧化鐵顆粒）分散在**中，並加入可能的表麵活性劑和乳化劑而得到。這種顆粒必須非常小，直徑在10納米左右（1納米為十億分之一米）。當鐵磁流體置於強磁場中時，表麵會形成奇特的規則波紋序列（圖16）。之所以會出現這種情況，是因為懸浮的磁性粒子傾向於與外部磁場的磁力線對齊。形成的波紋可以呈現出尖峰狀，波紋越尖銳，磁場就越強烈。

圖16　鐵磁流體在磁場作用下的典型波紋

●　一台電腦中有多少化學知識

複印完文件後，你又坐在辦公桌前，因為你要用電腦寫一份報告。普通的個人電腦（PC）裏的化學知識簡直多得驚人，但你應該從來沒有注意過。一個普通的PC工作台一般由主機、顯示器、鍵盤和外圍設備（打印機、掃描儀等）組成。主機內部是印製電路板（PCB， printed circuit boards）。印製電路板由塑料基板製成，基板上固定著電子元件，如集成電路、電容器、電阻器和電感器。這些部件通過導電合金材料的走線相互連接。印製電路板的製作過程中使用了各種材料，包括：以玻璃纖維增強熱固性樹脂為基礎的聚合物層壓板，油墨和絲網印刷（screen printing）漿料，感光聚合物，保護漆，固定劑和稀釋劑，貴金屬和非貴金屬。另外，一塊印製電路板的組成中有33%的陶瓷和玻璃，33%的塑料，33%的金屬以及最後不到1%的紙和電容器中的**。

集成電路是由半導體材料（通常是矽）裸片和用於連接其他元件的金屬導體構成的，其中裸片封裝在一個管殼中。管殼可以是陶瓷的或塑料的。塑料製的管殼是目前集成電路最常見的類型。這種管殼一般由惰性填料（常由二氧化矽組成）、環氧樹脂、阻燃劑和其他成分組成。引線框架（leadframe）[39]由矽製成，並含有少量的溴、磷、砷和銻，上麵覆蓋著一層很薄的鋁（約0.001毫米），有時還會再加一層塑料或陶瓷保護層。芯片與引線框架的連接通常使用氧化鋁，並且還要加入鎂、鈣、矽、鈦的氧化物。其他通常會使用的半導體材料有鍺、砷化镓、磷化镓、磷化銦和磷砷化镓。鍺和矽用於二極管，其他材料一般用於LED。

最常用的電容器有：金屬化紙介電容器（metalized paper capacitor），由兩根纖維帶組成，纖維的一側會鍍上一層薄薄的鋅或其他低熔點金屬膜；金屬化塑料電容器（metallized plastic capacitor）與金屬化紙介電容器構成相同，但其中含有聚碳酸酯（polycarbonate）或聚丙烯；鋁電解電容器（aluminium electrolytic capacitor）含有與乙二醇、鹽類及有機溶劑混合的硼酸。鉭電解電容器（tantalum electrolytic capacitor）的工作原理與鋁電解電容器相同，它采用氧化鉭（Ta2O5）作為電介質層，二氧化錳（MnO2）作為電解質。電阻器由氧化鋁陶瓷基板構成，基板上有一層導電金屬或玻璃和碳的混合物。接頭通常由金、鈀銀（Palladium Silver）或具有相同電性能的材料製成。

電感器由繞在陶瓷芯或鐵磁芯上的銅線組成，還可以塗上環氧樹脂。鐵磁芯可以是用有機黏結劑燒結的鐵，也可以是鐵鎳合金或鐵鋅合金，而且還可以含有釤、鐠、鈷或釹等稀有元素。繼電器（relays）具有外圍控製功能，其特點是電流損耗低、對外界幹擾的敏感度低、可靠性高等。繼電器中最常用的材料是鐵、銅和環氧樹脂。通常會使用鈹來改善銅製彈簧觸頭的性能。另外，用於磁性零件的元素有鐵、鎳、錳、鋅、鈷、鉻、矽、鉬、鈦、碳、釩、鋇、釤、鍶、硒、鐠、釹等。高性能的磁芯通常由鐵與釤、釹或鈷結合而成。焊料一般會用63%的錫和37%的鉛組成的合金。其他焊接材料有銻錫合金（antimony-tin alloy）、鉍錫合金（bismuth-tin alloy）、銦錫合金（indium-tin alloy）。最常用的黏合劑通常由環氧性質或丙烯酸性質的化合物構成。

電腦中的指示燈一般由LED組成（見第一章第1節）。LED材料中含有少量由磷化銦（InP）或磷化镓組成的半導體材料。

數據處理器的外殼通常由金屬製成，並帶有塑料部件。電腦顯示器中除了有印製電路板，還有陰極射線管，或稱顯像管。陰極射線管基本上由四部分組成：錐體部分、屏幕、錐體與屏幕之間的連接部分和電子部分。用於製造陰極射線管的玻璃可以有不同的類型，但所有類型都含有能夠吸收X射線的金屬氧化物：如氧化鉛（PbO）、氧化鋇（BaO）、氧化鍶（SrO）。屏幕內含有的熒光物質一般為鋅、銪、釔、鎘的硫化物或磷化物。在較早的型號中，熒光塗層主要含有鎘和硫化鋅，而在新型號中，則是94%的硫化鋅和稀土。

顯示器有不同的類型。液晶顯示器（LCD）（見第一章第1節）使用了2000種不同類型的**，包括反式-4-丙基-（4-氰基苯基）-環己烷[trans-4-Propyl- (4-hydroxyethyl) -cyclohexane]和氧化偶氮苯（Azoxybenzene），而用於屏幕背光的燈管一般含有汞或其他稀有金屬。等離子顯示器含有汞或放射性同位素，如63Ni（鎳的放射性同位素）、85Kr（氪的放射性同位素）或3H[氚（Tritium），氫的放射性同位素]。電致發光顯示器（electroluminescent display）中一般是以硫化鋅（ZnS）和重金屬或稀土金屬為基礎的化合物。電腦顯示器外殼由ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）塑料或含有約20%阻燃劑[十溴二苯醚（Decabromodiphenyl ether）或八溴二苯醚（Octabromodiphenyl ether）]的類似材料製成。

鍵盤基本上是由約200平方厘米狹長的印製電路板和塑料罩組成。

綜上所述，構成電腦的主要材料可以歸納為如表1所示。

表1　電腦的組成材料

●　手機、鈳[4]鉭鐵礦和大猩猩

在電腦上寫了大約15分鍾後，你的手機響了，是一個同事想問你什麽時候去吃午飯。手機現在是我們又一不可或缺的科技產物。當然，它也包含了很多化學成分，即使我們平時沒有怎麽去想過這個問題。

手機的構成中也有很多我們上麵所列舉的電腦的材料。平均而言，一部手機中有約58%的塑料、25%的金屬、16%的陶瓷和1%的阻燃劑。在25%的金屬含量中，有銅、鈷、鋰（電池中）、鐵、鎳、錫、鋅、銀、鉻、鉭、鎘以及少量的銻、金、鈹，有時還有鉑等元素。

原材料的來源多種多樣。鉛、鎘、金、鈹、鐵、銀和鉍一般來自北美洲，鋁、錫、鋅和銅來自南美洲，鎳和鈀來自俄羅斯，鉭來自巴西、澳大利亞和非洲，鉻和鉑來自非洲，矽、銻和砷來自中國。

為了滿足日益精進的新技術生產，我們對稀有元素的需求日益增加，這也產生了嚴重的社會政治問題。比如所謂的鈳鉭鐵礦（coltan）就引起了國家紛爭。這個名字由於大眾媒體的報道而變得相當流行，它是铌鐵礦-鉭鐵礦（columbite-tantalite）的縮寫，铌鐵礦-鉭鐵礦是一種由铌鐵礦[（Fe, Mn）Nb2O6]和鉭鐵礦[（Fe, Mn）Ta2O6]的複雜混合物組成的礦物。鈳鉭鐵礦是一種黑色砂石，其主要礦床分布在巴西、澳大利亞和非洲，特別是莫桑比克（Mozambique）和剛果（Congo）。鈳鉭鐵礦對於高科技產業來說非常重要，因為從此礦物中可以提取出鉭（Ta），用鉭來製造電容器的話，其性能比老式的陶瓷電容器要好得多。鉭是一種亮灰色的過渡金屬，硬度極高，耐化學腐蝕，是熱和電的優良導體。鉭是1802年由瑞典化學家安德斯·埃克伯格（Anders Ekeberg， 1767—1813）發現的，1820年由永斯·雅各布·貝采利烏斯分離出來。多年來，人們一直認為鉭和铌是同一種元素，但後來發現它們是兩種不同的元素。

“铌”這個名稱來源於希臘神話中的一個人物——坦塔羅斯（Tantalus）。冒犯了眾神之後，坦塔羅斯受到嚴厲的懲罰。他站在及頜的深水裏，一想喝水，水就退去；他的頭上有結滿果實的果樹，一想去摘樹枝就會移開。坦塔羅斯有一個女兒叫尼俄柏（Niobe），“铌”這個名稱就來源於此。

非洲鈳鉭鐵礦的開采造成了非常嚴重的問題。肆無忌憚的跨國公司從控製了礦產資源的武裝團體那裏購買鈳鉭鐵礦，這樣就為血腥的戰爭埋下了隱患。此外，礦井中的工人很多是兒童，他們要在惡劣的條件下工作。除了造成社會損失和存在侵犯人權的行為外，毫無節製的開采還對環境造成了極大破壞。受害者中就有不幸生活在鈳鉭鐵礦所在地區的美麗山地大猩猩。所以我們在決定更換智能手機之前，最好先考慮一下這個問題。

拓展：光、顏色和物質

色彩是能直接影響靈魂的工具。色彩是琴鍵，眼睛是琴槌，靈魂是多弦的鋼琴[40]。

這是瓦西裏·康定斯基（Vasilij Kandinskij， 1866—1944）在1910年8月於巴伐利亞州（Baviera）的穆爾瑙（Murnau）完成的《論藝術的精神》（Lo spirituale nell’arte）一書中所寫的。

色彩主宰著我們的生活，讓我們的生活更加美麗迷人。自古以來，人類就喜歡欣賞色彩，賦予色彩深刻的文化含義，並試圖利用色彩來表現自己的精神麵貌和情感。新色彩的探索對一些文明甚至經濟的發展影響深遠。而化學在這一領域也一直發揮著重要作用[41]。

我們所說的顏色是由我們的大腦產生的感覺，這種感覺來自一係列複雜的物理、化學和生理過程。所有這些過程的源頭都是光。

關於光的本質，人們爭論了很久。艾薩克·牛頓認為，這是一束沿直線傳播的粒子束（微粒說，corpuscular theory）。相反，荷蘭物理學家克裏斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens， 1629—1695）則提出“媒介理論”，他認為光是由在假設的物質媒介以太（ether）中傳播的波構成。根據這一理論，光的行為應該與普通聲波以及在海麵上傳播的聲波行為類似。萊昂哈德·歐拉（Leonhard Euler， 1707—1783）在1746年提出了光的波動說（undulatory theory），並得到了其他學者的支持。蘇格蘭人麥克斯韋提出的電磁理論接受了光的波動概念，將其納入更廣泛的理論中，並認為光是一種特殊的電磁波，由振**的電場和磁場在空間中（真空中也一樣）以波的形式傳播（實際上並不存在以太）。

電磁波的參量有很多，其中有頻率和波長。頻率表示電磁波在一秒鍾內的振**次數，用赫茲（Hz）表示。波長則表示波在完成一次完整振**所需的時間內所傳播的距離，用米或者納米、毫米、分米、千米等長度單位表示。頻率f、波長λ和波的傳播速度v（真空中的電磁波的速度都約為300 000千米/秒）之間有一個關係式（v = fλ），從這可以看出頻率與波長成反比，頻率增加波長會減小，反過來，頻率減小波長會增大。

我們所說的光僅代表電磁波的一部分，它們的頻率值在435～790太赫茲（即一千億赫茲）之間，或者說波長為400～700納米。這些數值處在人的視網膜的敏感值範圍內，在這些數值範圍之外我們的眼睛是看不見的。也就是說我們看不見所有頻率低於435太赫茲的輻射（紅外輻射、微波、無線電波）和所有頻率高於790太赫茲的輻射（紫外線輻射、X射線、γ射線）。

然而，在可見光中，我們的大腦在處理來自眼睛的信息時所產生的感覺會根據波長（或頻率）不同而有所不同。400納米左右的波長被認為是紅色，700納米左右的波長被認為是紫色。在這兩種顏色之間是所有其他組成彩虹的顏色。我們所感覺到的白光是所有波長的光組合而成的。

眼睛視網膜上的特殊感光細胞對不同顏色光波的反應很敏感，這些細胞因其形狀被稱為視錐細胞（cone cell）。除了視錐細胞還有其他的光感受器，稱為視杆細胞（rod cell），這些細胞對光線的強弱反應非常敏感，讓我們即使在弱光條件下也能看得見，但它們對顏色不敏感。

當我們看著一朵罌粟花時，我們認為它是紅色的，因為存在於花瓣中的物質幾乎吸收了所有白光的成分，但紅色的成分卻被反射到我們的眼睛裏。僅僅是這個簡單的觀察，我們就明白了光和物質是可以相互作用的。

了解光與物質之間的相互作用機製並不是一件簡單的事情，麥克斯韋的電磁理論雖然可以解釋很多光學現象，但對於這一點它卻無法給出滿意的答案。19世紀的物理學家們很清楚這一問題，所以他們嚐試解釋一種叫作黑體光譜（blackbody spectrum）的特殊實驗曲線。如果我們慢慢加熱一個理想的黑體，它會開始發出不同波長的電磁輻射。我們可以舉個類似的例子，想象一下一塊燒紅的鐵：剛開始它是暗紅色的，隨著溫度的升高，鐵塊發出的光會越來越白。黑體的光譜是一個表示輻射強度隨波長變化的曲線圖，曲線走向類似於一個燈罩，並且隨著溫度的升高，曲線變窄，其最大值向左移動（圖17）。

圖17　經典電磁理論預測的曲線圖

經典電磁理論預測的曲線走向與實驗得到的曲線截然不同，這個問題一直讓19世紀的科學家們非常頭疼。成功解決這個問題的是德國物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck，1858—1947， 1918年的諾貝爾物理學獎得主）。1900年，普朗克提出了一個大膽的假說，成功地從理論上重現了黑體輻射的實驗曲線。他認為物質和電磁輻射之間的能量交換可以是不連續的，而是以間斷的形式（能量子）實現。普朗克還假設每個量子（quantum）的能量與輻射的頻率成正比（由此得出的比例因子後來被稱為普朗克常數，是現代物理學常數之一）。普朗克的想法原本隻是工作中一個簡單的假設，卻意外地在物理學的其他領域也得到了證實，這就標誌著量子力學的誕生，這個名字就來源於普朗克的量子。根據量子學的觀點，光的確是麥克斯韋所主張的電磁波，但它的能量具有微粒一樣的性質，是不連續的。它隻能通過一個基本量的整數倍來交換，這個基本量被稱為量子或者光子（photon）[該術語由美國化學家吉爾伯特·牛頓·路易斯（Gilbert Newton Lewis， 1875—1946）於1926年提出，源於希臘語φ??，φωτ??（phós，photós），意為“光”]。

量子力學建立的概念模式完美地解釋了物質和電磁輻射之間的所有相互作用，也因此解釋了為什麽有些物質會表現出某些顏色，而另一些物質卻沒有。

凡是有顏色的物質，必然吸收了某些白光成分。我們所看到的是與被吸收的顏色相對應的互補色（complementary color）：兩種色光以適當的比例混合能產生白光，這樣的兩種顏色稱為互補色。例如，在我們看來薄荷是綠色的，那是因為它吸收的是紅光；酸櫻桃是紅色的，是因為它吸收的是綠光。而白色或無色的物質則不吸收任何可見光輻射，但會吸收紫外線。最後當物體吸收了所有可見光的成分後，就會呈現黑色。實際上，白色和黑色並不是真正的顏色，白色隻是所有顏色的總和，黑色隻是所有顏色的缺失。

很久以來，人類所使用的顏料都是天然產物，從礦物、植物或動物中獲取。但早在古代就已經有了人造顏料的工藝。例如，埃及人從一種植物——木藍（Indigofera tinctoria）的葉子中獲取靛藍色，但他們也發明了一種化學工藝，通過加熱二氧化矽、孔雀石、泡堿（碳酸鈉）和碳酸鈣來製得埃及藍（Egyptian blue）。腓尼基人學會了從一種特殊的軟體動物（吸器染料螺，Haustellum brandaris）中提取紫色，這種能力促進了他們的經濟繁榮。

從1856年開始，顏料製備領域取得重大突破，當時英國化學家威廉·亨利·珀金（William Henry Perkin， 1838—1907）成功合成了苯胺紫（Mauveine），又叫珀金紫（Perkin’s purple），這是第一種人工有機顏料（圖18）。這一發現為其他顏料的合成開辟了道路：如品紅（fuchsine）、苯胺藍（aniline blue）和苯胺紫羅蘭色（violetto d’anilina）、洋紅（magenta）、薔薇苯胺藍（rosaniline blue）、甲基紫（methyl violet）、茜素（alizarin）等。每一種顏料分子的結構中都有一種特定的原子團，稱為發色基團（chromophoric group），通過吸收特定頻率的光使物質具有顏色。主要的發色基團有：亞硝基（nitroso group，- NO）、硝基（nitro group，-NO2）和偶氮基（azo-group，-N = N-）。顏料分子中除了有發色基團，通常還有助色基團（auxochrome group），助色基團與發色基團相互作用可以使發色基團的吸收峰向長波移動，進而加深顏色甚至改變顏色。助色基團主要有氨基（amino group，-NH2、-NHR、-NR2）和羥基（-OH、-OR）。最後，還有其他基團，它們可以降低（向紅基團，bathochromic group）或提高（向藍基團，hypsochromic group）吸收的光的輻射頻率。

[1]包括拉瓦錫的質量守恒定律、普魯斯特（Joseph-Louis Proust）的定比定律和道爾頓（John Dalton， 1766—1844）的倍比定律。——譯者注（如無特殊說明，均為譯者注）

[2]“色盲（daltonismo）”一詞即從他的名字而來，他本人患有色盲症。

[3] 此處指古騰堡（Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg）於1455年發明的西文活字印刷術。——編者注

[4]鈳為铌（Nb）的舊稱。