理性而有创造性的国家

理性而有创造性的国家

实习介绍： 
    我的实习的项目是哈尔滨工业大学和国际大学生实习交流组织（IAESTE）支持的，实习地点是德国耶拿的奥托·肖特玻璃化学研究所，部分经费由德国学术交流服务组织（DAAD）和耶拿大学提供。在两个月的实习时间里，我的工作是协助博士生Henning Schirmer 使用电化学方法对特殊玻璃进行研究。同期也参观了肖特玻璃制品厂，和分布在德国各地的若干科学博物馆。  

    一．工作与科研 

　　6月底抵达耶拿奥托·肖特玻璃化学研究所报到，立刻见到了研究所负责人Christian Ruessel 教授，他了解了我的基本情况之后，询问我有什么样的研究兴趣，据此安排我的工作。由于专业上有差别，以及对新环境不了解，我并不清楚该选择什么样的课题，只是说对光学玻璃和计算机辅助研究两方面感兴趣。之后，我和另外两名国际实习生一起参观了研究所。 
　　研究所建立在绿树成荫的小山坡上，环境非常优美。建筑包括一座3层主楼，一座专门烧制玻璃的尖顶房屋和若干间储藏化学药品的平房。主楼虽然是100前的建筑，但是内部的实验室和计算机网络都很现代化。沿着走廊和楼梯陈列着很多矿石、玻璃和陶瓷样品，和若干成果的介绍，体现了悠久的科研传统。 
　　在我第二次来上班的时候，教授就把我介绍给博士生Henning Schirmer，由他作为我的实习指导人。Henning的博士课题是一家玻璃制品公司支持的，他当时的工作是根据公司的要求，检测若干工业样品的化学组成，特别是氧化度。他的工作过程涵盖了玻璃的配制，烧制，检测，数据拟合与分析等方面的广泛内容。之后的两个月中，我作为助手，或多或少的对各个步骤有了了解。 
　　这里实验室的管理是井然有序和开放的。各种仪器设备不但完备先进，并且对所有研究所内部人员开放。如果要使用一台仪器，只需在仪器旁边的时间表上登记即可。像使用者很多，使用时间又很长的烤炉，可以在时间表上提前写上名字来预约。当然，像XRD这样的贵重仪器也是由专人负责，需要申请使用的。每个人都有开放实验室，电脑室和小图书馆的钥匙，可以自由使用。实验室里粘贴的告示并不是规章制度，而是方便的仪器使用说明和重要内容的提示。各种制度要求合理，物质条件又很完备，所以大家都自觉地遵守规则。比如说，某些实验室的钥匙可以在固定的地方找到，每个人用完归还原处。为了防止丢失，单个的钥匙被绑在直径2分米的金属环上。德国人的严谨态度和理性思维可见一斑。 
　　下面就介绍一下我的几项工作： 
烧制玻璃： 
　　玻璃的成分是性能的决定因素，所以配方很重要。导师多次让我配制玻璃粉，主要成分是二氧化硅，加入不等的碳酸锂，氢氧化铝，硫酸钠或者硫酸铁。首先用Exel已编好的配方文件和各组分的要求量计算出实际用量，然后清洗容器，用高压空气吹干，再准确测称量各组分化合物。 
　　玻璃的烧制温度大约是1500到1600摄氏度。研究所有多种烤炉，普通的是电炉，好一点的是可编程电炉，还有一台电磁烤炉。登记一台电炉之后，一般要2个小时达到预定温度。之后把玻璃粉倒入铂金小钵中，放入炉箱里放置的坩埚内。由于玻璃粉熔融的过程中碳酸盐和氢氧化物会分解，气泡排出后体积变小，所以每过一段时间可以取出铂金钵再加入一些玻璃粉。待所有玻璃粉加入之后，再加热1个小时，使大多数气泡排出，就可以取出铂金铂，自然冷却，使玻璃形成。整个过程中，由于炉温很高，需要穿好白大褂，戴好防护面具和手套。我有一次穿了一件黑色的衬衣，一次开关炉之后，领口滚烫。 
　　冷却之后的玻璃样品颜色各异，部分样品出现结晶，形成环状分层现象，也有的在冷却过程中由于各部分冷却速度不等而碎裂。由于我们所研究的是熔融态下的玻璃的热力学实验，对样品在常温下的表现并不在意。而对于研究所的其他人的样品来说，当玻璃冷却以后，它所体现出的性状可是非常重要的。一次，拉夫尔博士的玻璃样品表现出了奇异的性质，那些碎片在较暗的室内光线下显示蓝色，但是在太阳光直射的情况下却是粉红色。而这一切完全不是他意料之中的，只是在为了达到另一种性质而设计的配方下偶然间烧制了这样的样品。 
　　 在检测之后，需要从铂金钵中取出样品和清洗铂金钵。说到铂金钵，它是非常昂贵的，200g的铂金钵价值4万元人民币。但是只有这样的金属在高温下能够保持惰性和较小的形变。清洗它的办法是首先在电炉里加热到玻璃熔融，将大部分玻璃液倒出在铁板上。如果一次不足可以多次，之后收集铁板上的试样保留。再将铂金钵泡在氢氟酸中1天左右，使残留玻璃熔解，最后用水清洗干净。 
玻璃的检测： 
　　我所学习的检测方法属于电化学方法。具体来讲就是在熔融态的玻璃表面插入电极，使用方形波伏安法和阻抗分析检测玻璃的热力学性质。 
    下图是工作中的仪器图： 

    右边的白色箱子是一台变压控制器，中间的蓝色箱子是电炉以及散热器，左边的是控制计算机。各种管线是温度传感器、水循环管道和控制电线。电炉的中间是陶瓷套管，内部精确的固定了装有熔融玻璃的铂金钵和插入玻璃液表面的电极。实际上，由于炉温已经达到了1400摄氏度，陶瓷管微微发红。  
    测量过程的说明以测量Li2O/Al2O3/SiO2玻璃液的Sn2+/Sn4+热力学平衡为例：从陶瓷套管的上部装入自制的电极，用平面镜从下方调整电极到中心位置。设备预热达到1000摄氏度以上，降下陶瓷套管下部，装入玻璃样品的铂金钵，升温到1600摄氏度，使玻璃熔融。电极连接万用表，测量电阻，由于电极还在悬空状态，阻值很大。转动升降螺母，使玻璃液和电极逐渐接近，接触的一瞬间电阻值迅速减小。取下万用表，实验准备完成。在1400度到1600度之间，设定5种温度。在每一温度下，由计算机控制向电极给出一定电压和频率的方形波电流，监测玻璃液的阻抗，数据记录在控制计算机。同时也可以用万用表，把数据传送到另一台计算机。实验耗时很长，每个样品的预热、5次测量和降温要花上20个小时，我和Henning需要交替更改设置，甚至是半夜凌晨来实验室工作。 
    实验要求很强的动手能力，除了控制计算机的软硬件是生产企业设计好的，其它的设备都要实验人员自己组装。我在Henning的指导下制作过铂金电极。需要在陶瓷棒上钻孔，再套上铂金丝。这一点还要说明，虽然研究所是化学研究机构，但在地下室却有各式的钻床、车床和焊接设备，还有技术工人可以帮助科研人员制作零件。所以研究人员可以改造现有设备完成很多创造性的实验，而不必受专业的局限而放弃设想。比如说，我

曾经观看了他们设计的一个小机械，专门向电磁炉内加入玻璃粉，非常好的完成了工作。 
    下图是我制作的电极和铂金钵里的玻璃样品： 

    检测化学性质的同时，Henning 也需要检测玻璃样品的物理性质，我的一项工作就是检测密度。由于玻璃普遍含有气泡，监测密度需要将其击碎成粉末。然后称量重量和体积，计算密度。  
    下图是使用气压法测量粉末体积的仪器： 


    二． 参观与访问 

    耶拿是德国的光学工业基地，光学工业的发展离不开数学理论的研究和作为重要材料的玻璃的发展。所以在耶拿有一所光学学科一流的大学，弗雷德里希·席勒大学， 和两家著名的公司，生产光学设备的卡尔·蔡司公司和生产特殊玻璃的肖特公司。三者之间早在19世纪就已经建立了深入的联系，可以说是德国工业发展的典范。我参观了若干博物馆，和肖特玻璃厂，耶拿的工业发展历史给我印象深刻。 
    19世纪中期，学徒工出身的卡尔·蔡司建立了显微镜工厂，并获得了商业上的成功。但由于缺乏理论支持，他的显微镜无法改进。1866以后，蔡司开始与弗雷德里希·席勒大学的物理学家恩斯特·阿贝合作。后者彻底研究了玻璃成像理论，创造出革命性的实验仪器。他的一条著名理论是关于衍射限制显微镜的阿被限定： 
    物镜的孔径张角必须足够大以覆盖零级和一级的衍射光。而分辨率（R）与波长（l），孔径张角（a），镜头介质的折射率（n）满足以下公式： 
    R = l /(n·sin(a)) 
    其中n·sin(a) = 理论光圈  
    阿贝的一系列理论将成像的过程完全数理化了，因而蔡司公司随后推出了的17组镜头显微镜。但是，虽然他们有完善的理论，当时的玻璃却无法达到这种精致理论的要求，玻璃的折射率并不符合理论设计，光学设备的改进工作又一次停滞，直到另一位科学家加入到他们的队伍中。这就是玻璃化学家奥拓·肖特，肖特总结了传统的手工玻璃制作技术，1884年，开办了“肖特及伙伴”玻璃技术实验室（后改名为“耶拿肖特及伙伴玻璃工厂”），发明具有良好折射和色散指数的光学玻璃。最著名的是复消色差透镜，这种玻璃去除色彩失常，使光学玻璃的分辨率达到了现代标准。  
    肖特玻璃工厂不仅生产光学玻璃，1887 到1893年之间，肖特发明了硼硅酸盐，这就是具有耐高温，耐腐蚀和耐迅速变温性能的现代玻璃制品的材料。肖特玻璃厂开始生产温度计，实验室玻璃，家用玻璃。随着照明设备的发展，又开始生产灯泡等产品。玻璃产业的得到空前的爆炸性发展。可以说，奥托·肖特是现代玻璃工业之父。 
    在这些科学和技术上的进步的同时，他们三人也在工业制度方面很有建树。奥托·肖特在建立工厂之前，就充分考虑了多路电站、给排水管道、工作区和生活区的布置，在当时这些设计是很有远见的。1889年，恩斯特·阿贝创建了卡尔-蔡司-基金会。奥托·肖特将自己的股权转移到了基金会。卡尔·蔡司公司和肖特公司由基金会统一管理，将资本和技术上的联合制度化。卡尔-蔡司-基金会还提出了保障工人权益的若干条款，如降低劳动时间、医疗保险、假期工资等等。  
    20世纪初，两家公司得到了辉煌的发展，卡尔·蔡司公司曾经拥有世界上最大的照相机生产厂，而肖特公司的玻璃制品也销往全球。但是二战以后，由于东西德的分裂，耶拿的工业部分搬迁到了西德，部分被东德收归国有，收到了很大的打击。  
    两德合并以后，分裂了的卡尔·蔡司公司和肖特公司再次合并，仍然是处在行业前沿的企业。卡尔·蔡司的镜头号称“鹰之眼”，在全世界享有盛誉。 而肖特公司为液晶显示设备生产的玻璃薄板只有0.05毫米的厚度，在这种产品上具有全球垄断性的地位。这两家公司也是10万人的小城耶拿的经济支柱，并且和弗雷德里希·席勒大学有广泛的合作，比如我实习的研究所的部分经费就来源于肖特公司。 
    在研究所的组织下，我和一批国际学生有幸访问了肖特公司的玻璃工厂。除了显示设备玻璃厂属于保密厂房无法参观，我们参观了大型玻璃板生产厂。那里的厂房管理井井有条，工人们各司其职，设备稳步运行，虽然部分建筑有近一百年的历史，但到处都洁净如新。之后，我们参观了肖特玻璃博物馆，那里用最新的声像技术展示了玻璃工业的发展过程，从传统手工作坊到流水线作业，从玻璃盘到显示用超薄玻璃，从光学玻璃到太阳能电池板，玻璃的广泛应用深入浅出的展示出来。  
    两个月中，我还游览了若干德国城市，德累斯顿的新大众汽车厂和慕尼黑的德意志博物馆更是体现出了德国强大的工业基础。 前者是一座透明的玻璃钢建筑，可以站在厂房以外看到内部的工人和机器人怎样组装汽车，直到一辆一辆的汽车驶下生产线。德意志博物馆涵盖了德国乃至世界的科学技术发展脉络，不同的展厅展示了某一产业的发展过程。可以看出很多的近现代发明是在德国出现的，科学技术的发展在这里有着很好的传统，这可能是我感到的最大的不同。  

    三． 总结与其他 

    在德国的生活中也有一些有趣的发现，比如他们的环保意识和环保制度。所有的生活垃圾要分成四种处理回收：玻璃、塑料、纸制品和生物垃圾，所以街道上的垃圾桶分为4格，每户住宅前也有4个垃圾桶。居民很好的遵守这种分类要求。在商店购物，是没有免费的塑料袋供应的，如果需要购买，价格昂贵。而且售卖的饮料所用的塑料瓶需要顾客支付押金使用，然后亲自拿回商店归还。例如6瓶轻啤酒的价格是1.49欧元，但瓶子的押金却高达1.5欧元。这决不会是成本高的原因，由此可见德国政府的环保政策和人民的环保意识。相比之下，法国人就没有这样的要求和意识，在超级市场可以随意索取塑料袋，相比之下，巴黎的环境卫生就要差一些。 
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sp;两个月的实习时间很快就结束了，我感到收获很多，甚至一种应接不暇的感觉。首先，提高了语言能力，能够和导师、国际学生用英语比较顺畅的交流是很大的进步。同时，扩展了眼界，亲身加入到先进的群体中，虽然所做的工作微不足道，但起码学习了他们的工作方法。在参观和介绍活动中，也感受了发达国家的科研传统与产业精神，看到了两者紧密结合的特点。当然，也有很多的遗憾，比如说，没有到本专业的机构实习，毕竟时间太短了，没有进行深入的工作，没有学会德语。不管怎样，这样的机会都是很难得的，感谢学校和国际大学生实习交流组织（IAESTE）给我这个机会，更要感谢德国方面的接待和帮助。 

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