现代科学概论

1,蔡皖飞化学与材料科学学院,现代科学概论,2,现代科学技术的发展趋势,科学技术的加速度发展1)科学技术新成果的高速增长。第二次世界大战后，科学发现和技术发明的数量大约每l0年翻一番。仅50年代以来的30年中，科技新成果就比前二千多年的总和还多。2)科技新成果从发现、发明到实际应用的周期越来越短，开发速度不断加快。蒸汽机从发明到应用花了80年的时间，而从发现原于核裂变到爆炸原子弹只用了6年；红宝石激光器则不到1年。1945年研制出的计算机，在短短的几十年中，经历了电子管、半导体、集成电路、大规模和超大规模集成电路5代的发展，性能提高了100万倍。3)新技术及其产品的更新速度越来越快，工程技术人员的知识半衰期越来越短。据统计，大约10年左右，工业新技术就有30被淘汰。在电子技术领域中，这一比率更大，超过了50。现代工程师在5年内，就有一半知识已过时，即知识的半衰期为5年。,3,现代科学的整体化趋势现代科学技术一方面高度分化一方面又高度综合，而且分化反成为综合的一种表现形式。这种既相互对立又紧密联系的辩证发展，使现代科学日益结合为一个有机联系的整体。技术科学化与科学技术化技术科学化与科学技术化是现代科学技术的鲜明特征。在当代，技术的发展离不开科学的突破和指导，科学的深化则需要得到各种技术的支持和保证。科学与技术相互依赖，相互促进，紧密结合，导致了技术科学化和科学技术化的发展。20世纪40年代以来出现的许多新兴技术，如激光技术、超导技术、基因重组技术等，都是现代科学的直接产物。越是新技术，包含的科学知识越多，高技术就是科学知识密集型的技术。科学技术化与技术科学化，使当代科学技术在物质生产中的地位和作用大大加强，已成为现代社会生产力发展的第一要素。,4,一现代生物技术,生物技术的定义1982年，国际合作与发展组织的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。美国政府技术顾问委员会(OAT)的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。该定义强调了生物技术的商品属性,5,现代生物技术主要内容细胞工程、微生物工程、酶工程、基因工程、蛋白质工程此外还有基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术直接相关联的学科：分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等。对人类和社会生活各方面影响最大的生物技术领域：农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术,一现代生物技术,6,基因工程及其应用基因工程又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。从理论上说，包括动物、植物和微生物在内的任何物种都可以任意“杂交”，创造出兼有它们的多种特性的新种，这就意味着将来我们可理直气壮地说“物种根本不是上帝创造的，而是人创造的”。,一现代生物技术,基因工程如何“施工”？,不同种类生物的生物特性不同，其基因工程在操作上和具体技术上必然有所差异。但技术核心都是DNA的重组技术，又称为分子克隆或基因克隆（genecloning），即利用一系列的DNA限制性内切酶、连接酶等分子手术工具，在某种生物DNA链上切下某个目标基因或特殊的DNA片段，然后根据设计要求，将其接合到受体生物的DNA链上。,重组DNA操作通常包括的步骤,第一步：获得需要的目的基因（外源基因）第二步：在限制性内切酶和连接酶作用下与克隆载体相连接，形成新的重组DNA分子。第三步：用重组DNA分子转化受体细胞，使之进入受体细胞并能够在受体细胞中复制和遗传。第四步：对转化子（获得外源基因的受体细胞）进行筛选和鉴定。第五步：对获得外源基因的细胞或生物体通过发酵、细胞培养、养殖或栽培等，最终获得所需要的遗传性状或表达出所需要的产物。,9,二新材料技术发展,新材料的发展趋势1.各种结构材料的数量对比发生很大变化。由于复合材料博采众长，随着生产工艺不断完善，其种类会有所增加，用途也会扩大。未来的一段时期里，将成为复合材料的全盛时期，但这个时期只是钢铁向非金属材料过渡的开端和序曲，最终取代钢铁而在结构材料中占主导地位的将是高分子材料2.材料的应用效果和性能将不断提高。人们已经深入了解了原子间结合的内聚性规律，这将提高材料的机械性能。把现有材料加以改造，有可能大大提高其性能。3.具有特殊性质和功能的新材料会被不断研制出来，以适应新技术革命的需要,10,二新材料技术发展,纳米材料纳米材料是指用晶粒尺寸为纳米级的微小颗粒制成的各种材料，其纳米颗粒的大小不应超过100nm,而通常情况下不应超过10nm。这种既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料。稀土材料稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是按当时的习惯，称不溶于水的物质，故称稀土。以稀土元素为材料的叫做稀土材料。,11,二新材料技术发展,高分子材料以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合新材料的利用对人类社会的影响材料既是当代高新技术的重要组成部分，又是发展高新技术的重要支柱和突破口。正是因为有了高强度的合金，新的能源材料及各种非金属材料，才会有航空和汽车工业；正是因为有了光纤，才会有今天的光纤通讯；正是因为有了半导体工业化生产，才有今天高速发展计算机技术和信息技术。当今世界各国在高技术领域的竞争，在很大程度上是新材料水平的较量。,12,新材料与现代科学技术特别是高技术是互相依存、互相促进的，高技术的飞速发展对新材料提出了更高的要求。精密测试技术，电子显微技术，高速大容量计算技术等的发展，为材料科学工作者提供了更有力的研究工具由于材料科学的发展水平与高新技术的发展是相互依存的，因此新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。有人曾作过粗略计算，以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作1，那么小轿车为5，家电为30，飞机为200，计算机为1000，集成电路芯片则为10000。由此可见，产品中的技术含量越高，收益就越高。真正体现了科学技术是第一生产力总之，以新材料为基础的一批新兴产业正在迅速兴起，并成为许多国家新的经济增长点。我国也研制出一大批新材料，并在国民经济建设中得到了广泛的应用，取得了明显的经济效益和社会效益,二新材料技术发展,13,三环境与新能源,新能源定义在新技术基础上，系统地开发利用的可再生能源。如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等开发和利用新能源意义煤炭，石油，天然气这些目前在用的自然资源都是不可再生能源、属于一次性的，等若干年后，这些资源都会枯竭，所以人类在找不同的可替代的可再生能源。可再生能源是指具有自我恢复原有特性，并可持续利用的一次能源，比如太阳能，潮汐能，地热能，人类需要为子孙后代考虑，不能造成地球能源枯竭，让子孙后代没有资源可用。,14,三环境与新能源,能源按来源分类来自天体的能量、来自地球本身的能量、来自地球与其他天体相互作用形成的能量环境污染种类按环境要素分：大气污染水体污染土壤污染按人类活动分：工业环境污染城市环境污染农业业环境污染按造成污染性质和来源分：化学污染生物污染物理污染（噪声，放射性等）固体废物污染能源污染,15,三环境与新能源,大气污染大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境污染的现象大气污染的主要防治措施改变能源结构绿化造林减少交通废气污染等目前环境存在的问题全球气候变化、臭氧层破坏和损耗、酸雨污染、土地荒漠化、水资源危机、森林植被破坏、生物多样性锐减、海洋资源破坏和污染、持久性有机污染物的污染、能源危机,16,三环境与新能源,我国能源平均利用率仅为30%ISO14020-ISO14029是环境标志标准绿色制造综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化,17,1.近代科学的第一次大综合是：经典力学体系的建立2.当今工程师知识的半衰期是：5年3.第一台电子计算机交付使用的时间是：1946年4.在CAD之中，镜像对象的命令是：MIRROR5.数控设备的核心：数控系统6.20世纪后半期科技成果转化的时间是：1-3年7.激光器的分类按工作物质可分为：固体气体半导体8