化學家眼中的科技里程碑 TECHNOLOGY MILESTONES FROM THE CHEMIST’S VIEW
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陳竹亭主任 (國立台灣大學化學系教授) Prof. Jwu-Ting Chen CASE, Director National Taiwan University 編審：吳欣潔 排版：吳欣潔、劉昀瑄、高英哲 譯者：高英哲
感謝國立台灣大學化學系張啟光客座教授 (Prof. Chi Kwong Chang)提供原文教材 原文教材是由 Attila Pavlath 教授擔任會長時的美國化學學會為「陳 列藝廊」製作的「科技里程碑」單元，經過數位處理後的版本。 本教材由匈牙利化學學會 (MKE) 及美國化學學會 (ACS) 資助，於2007 年在匈牙利塞德格大學物理化學系展出。 策劃人：Nora Rideg (大學部學生) 指導老師：Veronika Nemeth (助理教授)
化學家眼中的科技里程碑 （一）能源與運輸
化學家與化學工程師們，對能源與運輸科技做出了許多貢獻，讓我們在地上、在空中以及 太空裡的生活，都能擁有賴以驅進的動力。 十九世紀的人們燒柴燃煤以取暖，點煤油燈或蠟燭以供照明，交通則是透過鐵路、蒸汽船、 馬匹或雙腳。 隨著過去兩個世紀裡的能源需求上升，化學研究也有所發展，改善了電力來源、液態燃料、 電池、以及新奇的能源轉化科技。 化學發展的進步也促成了運輸革命，為汽車、飛機、太空載具以及鐵路，提供了新穎的改 良材料。化學家從天然資源中提煉出金屬、礦物以及馬達燃料，並創造出全新的材料，徹底改 變了人類的生活方式。
（一）.1. 能源 化煤為能源 石油探勘與生產 核能 替代能源 （一）.2. 電能儲存與可攜式能源 一次性電池 充電電池 （一）.3. 鐵路與造橋材料 混凝土 柏油 金屬與合金 維護與修護科技 （一）.4. 石化燃料 從原油製造汽油 燃料添加物 觸媒轉化器 （一）.5. 汽車 安全舒適的先進材料 塑膠料件 輪胎科技 （一）.6. 航空學 熱氣球 氦 火箭燃料 飛機與火箭製造材料
（一）能源與運輸的科技里程碑
大事記 1882 第一座燃煤發電廠供電給家庭用戶。 1884 德國工程師戴姆勒 (Gottlieb Daimler) 製造 出第一部燃油、火星塞點火的活塞引擎汽 車。
Coal-fired electric generating station
Daimler automotive on stamp
1902 處理原油的製程中，分離出可供鋪路的 瀝青。 1913 以熱能將長鍊分子裂解的碳氫化合物熱 裂解法，增加石油的煉油產量。
Building road with asphalt pavement
1921小托馬斯·米基利 (Thomas Midgley, Jr.) 使 用四乙基鉛製成汽油抗爆劑。 1936 法國人胡崔 (Eugene Houdry) 發明石油催 化裂解術，製造出高烷汽油。 1947 美國輪胎公司固特利奇發表第一款無內 胎輪胎。
小托馬斯·米基利使用 四乙基鉛，製成汽油 抗爆劑。 (1921)
手握催化轉化器 模型的胡崔
1949 永備電池公司製造出迷你型鹼性電池。
Former poster of the Goodrich tubeless tire
1954 貝爾實驗室發明第一款矽製太陽能電池。 1958 波音七○七噴射客機處女航，讓空中運 輸開始轉型。 1970s 無鉛燃料上市，開始淘汰含鉛汽油。
第一款矽製太陽能 電池 (1954)
1975 許多汽車開始採用觸媒轉化器。 Boeing 707
1980-1990s 鋰電池開始廣泛應用在手機跟筆記 型電腦上。 1981 哥倫比亞號太空梭成為全世界第一艘可 重複使用的太空載具。
Principle of operation of catalytic converters
Principle of operation of the lithium-ion battery Space shuttles
（一） 能源與運輸
1. 能源 化煤為能源 煤礦取代木材，成為主要的能源來源，是從一八九○年代開始， 在美國發生的事。一八八二年，第一間燃煤發電廠落成，製造可 供發電機使用的蒸汽。帕森斯 (Charles Parsons) 在一八八四年， 研發出更有效率的高速蒸汽渦輪。到了一九二○年代，粉狀煤礦 減少了內燃所需的空氣量，進一步增加能源效率。一九四○年問 世的漩渦爐，使用品質較差的煤礦，產生的煤燼卻比較少。最近 的化學科技則研發出燃燒煤屑發電的方法（煤屑是採礦過程中產 生的廢料），藉此減少對環境所造成的負擔。
帕森斯
帕森斯蒸汽 渦輪(1907)
石油探勘與生產 一九○一年，在美國德州紡錘頂 (Spindletop) 發現大片油田，加 上汽車問世，使得石油逐漸超越煤礦，在一九五一年成為主要 的燃料來源。提煉原油，使其化學成分得以分離的化學科技， 從簡易的大氣蒸餾處理法，真空減壓蒸餾法，熱裂解法，直到 使用觸媒，始終持續在進步。在原油的主要提煉過程中，舉凡 鑽石鑽頭、鑽井泥漿、岩油開採等，都要用到結合化學物質與 蒸汽的化學技法。比較次要的提煉過程，則有將高壓二氧化碳 或水溶劑注入地表之下等等。
核能 世界上第一座核子反應爐，是在一九四二年為了軍事用途發展 出來的。第二次世界大戰之後，在美國艾森豪總統的「原子能 為和平服務」計畫下，於一九五一年開始設立核電廠，將核能 科技應用於和平用途。從這時候開始，化學就在其中扮演重要 角色，包括製造供反應爐用做燃料的放射性物質，製造調節放 射性衰變產生之中子流的反應爐控制棒，再處理使用過的燃料 棒，進行廢棄物管理與環境保護工作，以及使暴露於放射線之 下的有害效應降至最低。
替代能源 風力發電、水力發電、地熱發電等綠色發電法，佔全世界總發 電量不到百分之一；不過隨著經濟條件與能源獲得性的改變， 這些發電方法將逐漸扮演重要角色。利用化學知識，可供熱發 電與光電發電所用的太陽能板，風力發電所用的輕質碳纖維螺 旋槳，水力發電廠所用的混凝土與金屬渦輪，以及聚集地熱所 用的抗蝕材質，一一問世。
（一） 能源與運輸
2. 電能儲存與可攜式能源
一次性電池
碳鋅乾電池
充電電池
電能儲存是由伏打 (Alessandro Volta) 於一七○○年代晚期發 展出來的，化學在後續的電池電量改良工作上有所助益。 一八九○年發明的碳鋅乾電池，改良了早期勒克朗謝「濕 電池」的設計。經過商業化製造的碳鋅電池，用在手電筒 上，迄今仍有在使用。一九四九年，鹼性電池新問世，壽 命比傳統電池長，體積又可以迷你化，很快就在可攜式電 子設備與照相機，找到一席之地。之後更新的電池類型， 材料有採用氧化銀、氧化汞跟鋰的。
充電電池 一八九五年發明的可充電鉛酸電池，是使用經過控制的 化學反應，產生電力的商業化早期範例。在一八八一年 經過改良，以及之後持續不斷地強化效能之下，鉛酸電 池仍然是主要的汽車用電池種類。在一八九九年首度做 出來的可充電鎳鎘電池，成本太昂貴，欠缺商業競爭力。 近期的充電電池發展集中在鋰電池上面，在一九八○年 代採用鋰金屬製作電池失敗後，鋰離子電池如今已是隨 處可見，在行動電話與筆記型電腦上大展身手。
（一） 能源與運輸
3. 鐵路與造橋材料
混凝土 一九五○年代，美國大規模的州際營建計畫，非常倚賴鋪路造 橋所用混凝土的承受強度與使用壽命。在一八二四年首度被製 造出來，並於一八七七年由法國人摩尼耶 (Joseph Monier) 申請 強化混凝土專利的波特蘭水泥，由於其複雜化學反應的關係， 能夠以慢速固化，從而填補水泥微粒與各種強化處理之間的空 隙。波特蘭水泥的韌性與強度，取決於謹慎控制水泥的製造過 程。若在一開始混成混凝土的時候，加入不同的化學藥劑，就 能減低水泥收縮的程度，並增強其抗蝕性。
柏油 柏油成本低廉，效能優異，因此成為今日很受歡迎的鋪路材料。 天然柏油於一五九五年發現，但直到一九○二年才跟焦油一起 用來鋪路。將石油提煉成汽油的過程中，所產生的固態或半固 態狀殘餘物瀝青，很快就取代了天然柏油用來鋪路，最近又加 入了合成聚合體，以改良其效能與耐用度。俗稱「超級鋪面」 的高性能柏油鋪面，是製造高級柏油的最新技法，可承受高重 量與惡劣天候。
金屬與合金 鋼鐵重量輕、強度高、耐用、易於維護建造、架設 成本低廉、又能承受地震之類的天然災害，因此成 為主要的造橋結構材料。一九九○年代新問世的高 效能鋼材，具有強度與抗蝕性都很優秀。另外還有 一項叫做「金屬化」的技術，可在造橋時用來保護 鋼材，這項技術會把鋁或鋅噴灑在乾淨的鋼鐵表面， 產生一層可維持三十年的保護鍍膜。 維護與修護科技 道路基礎建設的維護，必須要能夠在各種天候下，不會產生明顯的 劣化影響，且能長時間維持下去。築路與維護材料上的創新發明， 已使需要再重新鋪路的間隔變長了。混凝土密封劑、柏油與鋼鐵， 對於延長道路壽命都很重要。其他的化學與聚合材料則被用來當作 接合劑，以強化柏油道路的效能，比方說合成橡膠就比較不會腐蝕 或碎裂。
（一） 能源與運輸
4. 石化燃料
從原油製造汽油 為了改良從原油煉製汽油的過程，煉油廠商起先是以高熱裂 解重油的較大分子，以製成汽油中的較小分子。這種製程稱 為熱裂解，於一九一三年發明。但是高溫也會產生一些沒人 要的副產品，所以在一九二八年就改用在低溫下進行的真空 蒸餾法。胡崔 (Eugene Houdry) 在一九三六年，利用惰性催化 劑取代高溫，發展出催化裂解術，達到裂解的效果。此法在 一九三七年應用於商業上，很快就在煉油製程中，產生革命 化的改變。
Oil refinery
燃料添加物 早期的汽車引擎若使用劣質汽油，就會產生爆裂聲。在一九二 一年，汽油裡添加了四乙基鉛，好讓引擎運轉得更加順暢安靜。 到了一九二六年，引入辛烷標準做為量測汽油品質（壓縮容忍 度）的依據。由於環保考量，從一九七○年代起，就停止使用 帶鉛的汽油添加物。今日的汽油會加入少量的化學物，以改良 辛烷標準（酒精、乙醚） ，增強汽油效能（金屬減活化劑）， 減少引擎摩擦與耗損，以延長引擎壽命（清潔劑）。某些地區 出於地理考量，還會依據季節添加化學物，比方說加入甲醇以 防止油管結凍。
觸媒轉化器 二行程觸媒轉化器於一九七五年問世，用來控制一 氧化碳與碳氫化合物排放。不久後又加入了第三個 行程，用來淨化排氣裡的氧化氮。觸媒轉化器的運 作原理，是在通常由白金觸媒製成的金屬四週，產 生一系列的化學反應：氧化氮轉化成氮氣與氧氣， 一氧化碳轉化成二氧化碳，沒有燃燒的碳氫化合物 則轉化成水與二氧化碳。 三行程觸媒轉化器
（一）能源與運輸
5. 汽車
安全舒適的先進材料 二十一世紀的汽車，在設計、舒適度與安全性上，都 跟早期的汽車大相逕庭。高放電車頭燈提供強力的夜 間照明，特殊鍍層與板金材質則讓鏽蝕大為減低。化 學冷卻劑在封閉環境系統裡循環。汽車安全玻璃在一 九一四年問世，而現今的特殊聚合鍍膜玻璃，不但可 大量減低重量與外界噪音，又能抗耀光與紫外線。安 全性的創新設計，則有一九六○年代開始，要求在安 全帶裡採用，以及一九九六年要求在安全氣囊裡採用 的聚合纖維。
塑膠料件 隨著化學成就日新月異，讓汽車材料從金屬轉為塑膠，並 採用高效能材質，藉此減輕重量的目標，開始變得有可能 實現。在二次大戰之後，由於合成石化聚合物堅固耐用， 又能承受惡劣天候，各家車廠開始用來製作堅硬的結構部 件。在一九七○年代能源危機之後，為改善燃料效率，車 廠開始尋找可替代金屬的輕質製車材料。設計上的應用包 括：由射出成形技術塑造的複雜車身，熱塑膠保險槓，不 會褪色又不受紫外線影響的聚丙烯纖維，特殊塗料鍍膜以 及黏著劑。
聚丙烯纖維
輪胎科技 天然橡膠製品在一八○○年代早期問世，但是因為在過冷 或過熱的天氣下會軟化或易碎，沒什麼實用價值。美國發 明家固特異 (Charles Goodyear) 在一八三九年，發展出天然 橡膠的硫化處理製程，用硫連結未飽和的分子鍵，這個基 本的製程配上額外的化學催促劑與穩定劑，迄今仍在使用。 到了一九四五年，合成橡膠已經可供商業化生產。隨著輪 胎需求增加，其他的改良製法也一一引進，其中包括用內 胎取代堅固的橡膠輪胎，用天然或合成簾布強化輪胎強度， 加入可減低磨損的材料，以及最終做出無內胎的輪胎。
（一）能源與運輸
6. 航空學 熱氣球 打從一七八三年首度有人類，乘坐利用熊熊火焰製造 熱空氣驅動的熱氣球，跨越天際開始，熱氣球的創新 就有如革命性地發展。熱空氣很快就被比較容易控制 的氫氣所取代。熱氣球也變成一種熱門運動，在美國 有五千多位熱氣球駕駛員。化學工業製造出耐用、廉 價又抗熱的尼龍布，以及推進所需的液態丙烷科技。
興登堡號空難 (1937)
氦 雖然像空難爆炸的興登堡號飛船之類的灌氫熱氣球結構 紮實，但是氫氣的易燃性，始終在安全性上造成危害。 在一九○五年，有兩位化學家在美國堪薩斯州一處天然 氣井發現了氦氣，這種稀有元素突然間俯拾即是。在一 次大戰期間，人們運用化學科技，大量抽取、儲存並運 送氦氣；灌滿氦氣的小型軟式飛艇，在二次大戰時安全 地將部隊與補給艦送達潛水艇處。到了一九五○年代， 氦氣在建造火箭時被用來當作熔接氣體，以及將火箭燃 料推入引擎的推進劑。
火箭燃料 從一九二○年代首度發射的早期火箭試射，到一九五○年 代發射通訊衛星，直到一九八○年代的可重複使用太空梭， 人類向太空步步拓展，是令人驚奇的工程傑作。成功的太 空旅行，取決於火箭是否擁有足以克服地球重力的高速推 進力。一九二六年首度發射的火箭，用的是液態汽油燃料 與液態氧化劑，後來也有使用不同的燃料與氧化劑，固態 或液態的都有。太空梭用的燃料是液態氫，不過發射引擎 用的則是固態鋁燃料，以及過氯酸銨製成的氧化接合劑。 飛機與火箭製造材料 飛機設計的材料，從木頭與織布到精細的工程材料，化學科 技始終在提供符合設計需求的材料。使用鋁跟鈦的合金，被 用來提供飛機所需要的強度、質輕、高溫穩定性與抗蝕等特 性。由於火箭運作的環境極其惡劣，需要的材料也很特別， 在一九八○年代用來保護太空梭的關鍵部位，在其重返大氣 層時承受高溫的特殊板金便是一例。在嘗試過特異的複合鋯 材質後，最後的設計使用從一般沙粒中得到的矽纖維，來製 造特殊板金。