理性而有創(chuàng)造性的國(guó)家

實(shí)習(xí)介紹： 
    我的實(shí)習(xí)的項(xiàng)目是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)際大學(xué)生實(shí)習(xí)交流組織（IAESTE）支持的，實(shí)習(xí)地點(diǎn)是德國(guó)耶拿的奧托·肖特玻璃化學(xué)研究所，部分經(jīng)費(fèi)由德國(guó)學(xué)術(shù)交流服務(wù)組織（DAAD）和耶拿大學(xué)提供。在兩個(gè)月的實(shí)習(xí)時(shí)間里，我的工作是協(xié)助博士生Henning Schirmer 使用電化學(xué)方法對(duì)特殊玻璃進(jìn)行研究。同期也參觀了肖特玻璃制品廠，和分布在德國(guó)各地的若干科學(xué)博物館。  

    一．工作與科研 

　　6月底抵達(dá)耶拿奧托·肖特玻璃化學(xué)研究所報(bào)到，立刻見(jiàn)到了研究所負(fù)責(zé)人Christian Ruessel 教授，他了解了我的基本情況之后，詢(xún)問(wèn)我有什么樣的研究興趣，據(jù)此安排我的工作。由于專(zhuān)業(yè)上有差別，以及對(duì)新環(huán)境不了解，我并不清楚該選擇什么樣的課題，只是說(shuō)對(duì)光學(xué)玻璃和計(jì)算機(jī)輔助研究?jī)煞矫娓信d趣。之后，我和另外兩名國(guó)際實(shí)習(xí)生一起參觀了研究所。 
　　研究所建立在綠樹(shù)成蔭的小山坡上，環(huán)境非常優(yōu)美。建筑包括一座3層主樓，一座專(zhuān)門(mén)燒制玻璃的尖頂房屋和若干間儲(chǔ)藏化學(xué)藥品的平房。主樓雖然是100前的建筑，但是內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)室和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都很現(xiàn)代化。沿著走廊和樓梯陳列著很多礦石、玻璃和陶瓷樣品，和若干成果的介紹，體現(xiàn)了悠久的科研傳統(tǒng)。 
　　在我第二次來(lái)上班的時(shí)候，教授就把我介紹給博士生Henning Schirmer，由他作為我的實(shí)習(xí)指導(dǎo)人。Henning的博士課題是一家玻璃制品公司支持的，他當(dāng)時(shí)的工作是根據(jù)公司的要求，檢測(cè)若干工業(yè)樣品的化學(xué)組成，特別是氧化度。他的工作過(guò)程涵蓋了玻璃的配制，燒制，檢測(cè)，數(shù)據(jù)擬合與分析等方面的廣泛內(nèi)容。之后的兩個(gè)月中，我作為助手，或多或少的對(duì)各個(gè)步驟有了了解。 
　　這里實(shí)驗(yàn)室的管理是井然有序和開(kāi)放的。各種儀器設(shè)備不但完備先進(jìn)，并且對(duì)所有研究所內(nèi)部人員開(kāi)放。如果要使用一臺(tái)儀器，只需在儀器旁邊的時(shí)間表上登記即可。像使用者很多，使用時(shí)間又很長(zhǎng)的烤爐，可以在時(shí)間表上提前寫(xiě)上名字來(lái)預(yù)約。當(dāng)然，像XRD這樣的貴重儀器也是由專(zhuān)人負(fù)責(zé)，需要申請(qǐng)使用的。每個(gè)人都有開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，電腦室和小圖書(shū)館的鑰匙，可以自由使用。實(shí)驗(yàn)室里粘貼的告示并不是規(guī)章制度，而是方便的儀器使用說(shuō)明和重要內(nèi)容的提示。各種制度要求合理，物質(zhì)條件又很完備，所以大家都自覺(jué)地遵守規(guī)則。比如說(shuō)，某些實(shí)驗(yàn)室的鑰匙可以在固定的地方找到，每個(gè)人用完歸還原處。為了防止丟失，單個(gè)的鑰匙被綁在直徑2分米的金屬環(huán)上。德國(guó)人的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和理性思維可見(jiàn)一斑。 
　　下面就介紹一下我的幾項(xiàng)工作： 
燒制玻璃： 
　　玻璃的成分是性能的決定因素，所以配方很重要。導(dǎo)師多次讓我配制玻璃粉，主要成分是二氧化硅，加入不等的碳酸鋰，氫氧化鋁，硫酸鈉或者硫酸鐵。首先用Exel已編好的配方文件和各組分的要求量計(jì)算出實(shí)際用量，然后清洗容器，用高壓空氣吹干，再準(zhǔn)確測(cè)稱(chēng)量各組分化合物。 
　　玻璃的燒制溫度大約是1500到1600攝氏度。研究所有多種烤爐，普通的是電爐，好一點(diǎn)的是可編程電爐，還有一臺(tái)電磁烤爐。登記一臺(tái)電爐之后，一般要2個(gè)小時(shí)達(dá)到預(yù)定溫度。之后把玻璃粉倒入鉑金小缽中，放入爐箱里放置的坩堝內(nèi)。由于玻璃粉熔融的過(guò)程中碳酸鹽和氫氧化物會(huì)分解，氣泡排出后體積變小，所以每過(guò)一段時(shí)間可以取出鉑金缽再加入一些玻璃粉。待所有玻璃粉加入之后，再加熱1個(gè)小時(shí)，使大多數(shù)氣泡排出，就可以取出鉑金鉑，自然冷卻，使玻璃形成。整個(gè)過(guò)程中，由于爐溫很高，需要穿好白大褂，戴好防護(hù)面具和手套。我有一次穿了一件黑色的襯衣，一次開(kāi)關(guān)爐之后，領(lǐng)口滾燙。 
　　冷卻之后的玻璃樣品顏色各異，部分樣品出現(xiàn)結(jié)晶，形成環(huán)狀分層現(xiàn)象，也有的在冷卻過(guò)程中由于各部分冷卻速度不等而碎裂。由于我們所研究的是熔融態(tài)下的玻璃的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)樣品在常溫下的表現(xiàn)并不在意。而對(duì)于研究所的其他人的樣品來(lái)說(shuō)，當(dāng)玻璃冷卻以后，它所體現(xiàn)出的性狀可是非常重要的。一次，拉夫爾博士的玻璃樣品表現(xiàn)出了奇異的性質(zhì)，那些碎片在較暗的室內(nèi)光線下顯示藍(lán)色，但是在太陽(yáng)光直射的情況下卻是粉紅色。而這一切完全不是他意料之中的，只是在為了達(dá)到另一種性質(zhì)而設(shè)計(jì)的配方下偶然間燒制了這樣的樣品。 
　　 在檢測(cè)之后，需要從鉑金缽中取出樣品和清洗鉑金缽。說(shuō)到鉑金缽，它是非常昂貴的，200g的鉑金缽價(jià)值4萬(wàn)元人民幣。但是只有這樣的金屬在高溫下能夠保持惰性和較小的形變。清洗它的辦法是首先在電爐里加熱到玻璃熔融，將大部分玻璃液倒出在鐵板上。如果一次不足可以多次，之后收集鐵板上的試樣保留。再將鉑金缽泡在氫氟酸中1天左右，使殘留玻璃熔解，最后用水清洗干凈。 
玻璃的檢測(cè)： 
　　我所學(xué)習(xí)的檢測(cè)方法屬于電化學(xué)方法。具體來(lái)講就是在熔融態(tài)的玻璃表面插入電極，使用方形波伏安法和阻抗分析檢測(cè)玻璃的熱力學(xué)性質(zhì)。 
    下圖是工作中的儀器圖： 

    右邊的白色箱子是一臺(tái)變壓控制器，中間的藍(lán)色箱子是電爐以及散熱器，左邊的是控制計(jì)算機(jī)。各種管線是溫度傳感器、水循環(huán)管道和控制電線。電爐的中間是陶瓷套管，內(nèi)部精確的固定了裝有熔融玻璃的鉑金缽和插入玻璃液表面的電極。實(shí)際上，由于爐溫已經(jīng)達(dá)到了1400攝氏度，陶瓷管微微發(fā)紅。  
    測(cè)量過(guò)程的說(shuō)明以測(cè)量Li2O/Al2O3/SiO2玻璃液的Sn2+/Sn4+熱力學(xué)平衡為例：從陶瓷套管的上部裝入自制的電極，用平面鏡從下方調(diào)整電極到中心位置。設(shè)備預(yù)熱達(dá)到1000攝氏度以上，降下陶瓷套管下部，裝入玻璃樣品的鉑金缽，升溫到1600攝氏度，使玻璃熔融。電極連接萬(wàn)用表，測(cè)量電阻，由于電極還在懸空狀態(tài)，阻值很大。轉(zhuǎn)動(dòng)升降螺母，使玻璃液和電極逐漸接近，接觸的一瞬間電阻值迅速減小。取下萬(wàn)用表，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備完成。在1400度到1600度之間，設(shè)定5種溫度。在每一溫度下，由計(jì)算機(jī)控制向電極給出一定電壓和頻率的方形波電流，監(jiān)測(cè)玻璃液的阻抗，數(shù)據(jù)記錄在控制計(jì)算機(jī)。同時(shí)也可以用萬(wàn)用表，把數(shù)據(jù)傳送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)耗時(shí)很長(zhǎng)，每個(gè)樣品的預(yù)熱、5次測(cè)量和降溫要花上20個(gè)小時(shí)，我和Henning需要交替更改設(shè)置，甚至是半夜凌晨來(lái)實(shí)驗(yàn)室工作。 
    實(shí)驗(yàn)要求很強(qiáng)的動(dòng)手能力，除了控制計(jì)算機(jī)的軟硬件是生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)好的，其它的設(shè)備都要實(shí)驗(yàn)人員自己組裝。我在Henning的指導(dǎo)下制作過(guò)鉑金電極。需要在陶瓷棒上鉆孔，再套上鉑金絲。這一點(diǎn)還要說(shuō)明，雖然研究所是化學(xué)研究機(jī)構(gòu)，但在地下室卻有各式的鉆床、車(chē)床和焊接設(shè)備，還有技術(shù)工人可以幫助科研人員制作零件。所以研究人員可以改造現(xiàn)有設(shè)備完成很多創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)，而不必受專(zhuān)業(yè)的局限而放棄設(shè)想。比如說(shuō)，我

曾經(jīng)觀看了他們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)小機(jī)械，專(zhuān)門(mén)向電磁爐內(nèi)加入玻璃粉，非常好的完成了工作。 
    下圖是我制作的電極和鉑金缽里的玻璃樣品： 

    檢測(cè)化學(xué)性質(zhì)的同時(shí)，Henning 也需要檢測(cè)玻璃樣品的物理性質(zhì)，我的一項(xiàng)工作就是檢測(cè)密度。由于玻璃普遍含有氣泡，監(jiān)測(cè)密度需要將其擊碎成粉末。然后稱(chēng)量重量和體積，計(jì)算密度。  
    下圖是使用氣壓法測(cè)量粉末體積的儀器： 


    二． 參觀與訪問(wèn) 

    耶拿是德國(guó)的光學(xué)工業(yè)基地，光學(xué)工業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)數(shù)學(xué)理論的研究和作為重要材料的玻璃的發(fā)展。所以在耶拿有一所光學(xué)學(xué)科一流的大學(xué)，弗雷德里希·席勒大學(xué)， 和兩家著名的公司，生產(chǎn)光學(xué)設(shè)備的卡爾·蔡司公司和生產(chǎn)特殊玻璃的肖特公司。三者之間早在19世紀(jì)就已經(jīng)建立了深入的聯(lián)系，可以說(shuō)是德國(guó)工業(yè)發(fā)展的典范。我參觀了若干博物館，和肖特玻璃廠，耶拿的工業(yè)發(fā)展歷史給我印象深刻。 
    19世紀(jì)中期，學(xué)徒工出身的卡爾·蔡司建立了顯微鏡工廠，并獲得了商業(yè)上的成功。但由于缺乏理論支持，他的顯微鏡無(wú)法改進(jìn)。1866以后，蔡司開(kāi)始與弗雷德里希·席勒大學(xué)的物理學(xué)家恩斯特·阿貝合作。后者徹底研究了玻璃成像理論，創(chuàng)造出革命性的實(shí)驗(yàn)儀器。他的一條著名理論是關(guān)于衍射限制顯微鏡的阿被限定： 
    物鏡的孔徑張角必須足夠大以覆蓋零級(jí)和一級(jí)的衍射光。而分辨率（R）與波長(zhǎng)（l），孔徑張角（a），鏡頭介質(zhì)的折射率（n）滿足以下公式： 
    R = l /(n·sin(a)) 
    其中n·sin(a) = 理論光圈  
    阿貝的一系列理論將成像的過(guò)程完全數(shù)理化了，因而蔡司公司隨后推出了的17組鏡頭顯微鏡。但是，雖然他們有完善的理論，當(dāng)時(shí)的玻璃卻無(wú)法達(dá)到這種精致理論的要求，玻璃的折射率并不符合理論設(shè)計(jì)，光學(xué)設(shè)備的改進(jìn)工作又一次停滯，直到另一位科學(xué)家加入到他們的隊(duì)伍中。這就是玻璃化學(xué)家?jiàn)W拓·肖特，肖特總結(jié)了傳統(tǒng)的手工玻璃制作技術(shù)，1884年，開(kāi)辦了“肖特及伙伴”玻璃技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（后改名為“耶拿肖特及伙伴玻璃工廠”），發(fā)明具有良好折射和色散指數(shù)的光學(xué)玻璃。最著名的是復(fù)消色差透鏡，這種玻璃去除色彩失常，使光學(xué)玻璃的分辨率達(dá)到了現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)。  
    肖特玻璃工廠不僅生產(chǎn)光學(xué)玻璃，1887 到1893年之間，肖特發(fā)明了硼硅酸鹽，這就是具有耐高溫，耐腐蝕和耐迅速變溫性能的現(xiàn)代玻璃制品的材料。肖特玻璃廠開(kāi)始生產(chǎn)溫度計(jì)，實(shí)驗(yàn)室玻璃，家用玻璃。隨著照明設(shè)備的發(fā)展，又開(kāi)始生產(chǎn)燈泡等產(chǎn)品。玻璃產(chǎn)業(yè)的得到空前的爆炸性發(fā)展。可以說(shuō)，奧托·肖特是現(xiàn)代玻璃工業(yè)之父。 
    在這些科學(xué)和技術(shù)上的進(jìn)步的同時(shí)，他們?nèi)�人也在工業(yè)制度方面很有建樹(shù)。奧托·肖特在建立工廠之前，就充分考慮了多路電站、給排水管道、工作區(qū)和生活區(qū)的布置，在當(dāng)時(shí)這些設(shè)計(jì)是很有遠(yuǎn)見(jiàn)的。1889年，恩斯特·阿貝創(chuàng)建了卡爾-蔡司-基金會(huì)。奧托·肖特將自己的股權(quán)轉(zhuǎn)移到了基金會(huì)�？�爾·蔡司公司和肖特公司由基金會(huì)統(tǒng)一管理，將資本和技術(shù)上的聯(lián)合制度化。卡爾-蔡司-基金會(huì)還提出了保障工人權(quán)益的若干條款，如降低勞動(dòng)時(shí)間、醫(yī)療保險(xiǎn)、假期工資等等。  
    20世紀(jì)初，兩家公司得到了輝煌的發(fā)展，卡爾·蔡司公司曾經(jīng)擁有世界上最大的照相機(jī)生產(chǎn)廠，而肖特公司的玻璃制品也銷(xiāo)往全球。但是二戰(zhàn)以后，由于東西德的分裂，耶拿的工業(yè)部分搬遷到了西德，部分被東德收歸國(guó)有，收到了很大的打擊。  
    兩德合并以后，分裂了的卡爾·蔡司公司和肖特公司再次合并，仍然是處在行業(yè)前沿的企業(yè)�？�爾·蔡司的鏡頭號(hào)稱(chēng)“鷹之眼”，在全世界享有盛譽(yù)。 而肖特公司為液晶顯示設(shè)備生產(chǎn)的玻璃薄板只有0.05毫米的厚度，在這種產(chǎn)品上具有全球壟斷性的地位。這兩家公司也是10萬(wàn)人的小城耶拿的經(jīng)濟(jì)支柱，并且和弗雷德里�！は�勒大學(xué)有廣泛的合作，比如我實(shí)習(xí)的研究所的部分經(jīng)費(fèi)就來(lái)源于肖特公司。 
    在研究所的組織下，我和一批國(guó)際學(xué)生有幸訪問(wèn)了肖特公司的玻璃工廠。除了顯示設(shè)備玻璃廠屬于保密廠房無(wú)法參觀，我們參觀了大型玻璃板生產(chǎn)廠。那里的廠房管理井井有條，工人們各司其職，設(shè)備穩(wěn)步運(yùn)行，雖然部分建筑有近一百年的歷史，但到處都潔凈如新。之后，我們參觀了肖特玻璃博物館，那里用最新的聲像技術(shù)展示了玻璃工業(yè)的發(fā)展過(guò)程，從傳統(tǒng)手工作坊到流水線作業(yè)，從玻璃盤(pán)到顯示用超薄玻璃，從光學(xué)玻璃到太陽(yáng)能電池板，玻璃的廣泛應(yīng)用深入淺出的展示出來(lái)。  
    兩個(gè)月中，我還游覽了若干德國(guó)城市，德累斯頓的新大眾汽車(chē)廠和慕尼黑的德意志博物館更是體現(xiàn)出了德國(guó)強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ)。 前者是一座透明的玻璃鋼建筑，可以站在廠房以外看到內(nèi)部的工人和機(jī)器人怎樣組裝汽車(chē)，直到一輛一輛的汽車(chē)駛下生產(chǎn)線。德意志博物館涵蓋了德國(guó)乃至世界的科學(xué)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，不同的展廳展示了某一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程�？梢钥闯龊芏嗟慕�現(xiàn)代發(fā)明是在德國(guó)出現(xiàn)的，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在這里有著很好的傳統(tǒng)，這可能是我感到的最大的不同。  

    三． 總結(jié)與其他 

    在德國(guó)的生活中也有一些有趣的發(fā)現(xiàn)，比如他們的環(huán)保意識(shí)和環(huán)保制度。所有的生活垃圾要分成四種處理回收：玻璃、塑料、紙制品和生物垃圾，所以街道上的垃圾桶分為4格，每戶住宅前也有4個(gè)垃圾桶。居民很好的遵守這種分類(lèi)要求。在商店購(gòu)物，是沒(méi)有免費(fèi)的塑料袋供應(yīng)的，如果需要購(gòu)買(mǎi)，價(jià)格昂貴。而且售賣(mài)的飲料所用的塑料瓶需要顧客支付押金使用，然后親自拿回商店歸還。例如6瓶輕啤酒的價(jià)格是1.49歐元，但瓶子的押金卻高達(dá)1.5歐元。這決不會(huì)是成本高的原因，由此可見(jiàn)德國(guó)政府的環(huán)保政策和人民的環(huán)保意識(shí)。相比之下，法國(guó)人就沒(méi)有這樣的要求和意識(shí)，在超級(jí)市場(chǎng)可以隨意索取塑料袋，相比之下，巴黎的環(huán)境衛(wèi)生就要差一些。 
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sp;兩個(gè)月的實(shí)習(xí)時(shí)間很快就結(jié)束了，我感到收獲很多，甚至一種應(yīng)接不暇的感覺(jué)。首先，提高了語(yǔ)言能力，能夠和導(dǎo)師、國(guó)際學(xué)生用英語(yǔ)比較順暢的交流是很大的進(jìn)步。同時(shí)，擴(kuò)展了眼界，親身加入到先進(jìn)的群體中，雖然所做的工作微不足道，但起碼學(xué)習(xí)了他們的工作方法。在參觀和介紹活動(dòng)中，也感受了發(fā)達(dá)國(guó)家的科研傳統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)精神，看到了兩者緊密結(jié)合的特點(diǎn)。當(dāng)然，也有很多的遺憾，比如說(shuō)，沒(méi)有到本專(zhuān)業(yè)的機(jī)構(gòu)實(shí)習(xí)，畢竟時(shí)間太短了，沒(méi)有進(jìn)行深入的工作，沒(méi)有學(xué)會(huì)德語(yǔ)。不管怎樣，這樣的機(jī)會(huì)都是很難得的，感謝學(xué)校和國(guó)際大學(xué)生實(shí)習(xí)交流組織（IAESTE）給我這個(gè)機(jī)會(huì)，更要感謝德國(guó)方面的接待和幫助。 

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