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企业做基础研究不仅能贡献技术创新,还能出诺贝尔奖 精选

已有 5023 次阅读 2018-6-12 21:42 |个人分类:科技与创新政策|系统分类:科研笔记| 基础研究, 企业

 

企业做基础研究不仅能贡献技术创新,还能出诺贝尔奖

一、杜邦公司“养”了一个高分子化学家:尼龙的故事

卡罗瑟斯(W.H.Carothers,1896~1937)是美国杜邦公司的化学家,他在杜邦公司做出了一个具有划时代意义的发明:合成纤维尼龙。而且他对高分子化学这门科学的建立和发展也做出了杰出的贡献。卡罗瑟斯1924年在伊利诺斯大学获得博士学位,并留校任教;1926年,进入美国最著名的高等学府哈佛大学。1928年被杜邦公司挖走。

1928年,杜邦公司实施一项"开创杜邦技术"的基础研究计划,经费是每年25万美元。发起和领导这项计划的是杜邦公司的化学研究部主任斯丁(C.M.A.Stine)博士。为了使计划能够顺利进行,斯丁主任开始在全美国网罗最优秀的化学家。他们物色到美国哈佛大学的年轻化学家卡罗瑟斯,那时他正在做高分子化学方面的理论研究。卡罗瑟斯向斯丁提出了三个条件,第一,建造新的实验室和配备助手;第二,研究课题不受限制,继续从事基础研究课题;第三,提高工资,哈佛的年薪是3500美元,到杜邦后,至少要提高到5000美元,以补偿他离开哈佛而失去的自由和稳定。这三个条件斯丁全部答应了。很快,公司专门为他建造了一座名为"理论堂"的实验室。这样卡罗瑟斯来到了杜邦公司,从此开始了他形容为“像煤矿工人那样的工业奴役生活”。早上8点到实验室,忙于思考、抽烟、阅读、谈话、做实验,直到下午5点下班。但是卡罗瑟斯仍然感到很愉快,他说:"没有人过问我如何安排时间,未来的计划是什么,一切都由我自己决定。"最令卡罗瑟斯高兴的是"研究资金,简直没有限制,我愿花多少,就花多少"。

卡罗瑟斯就这样在杜邦公司做研究。虽然他进行的是基础科学研究,但是,他却做出了两项后来震惊世界的发明,那就是合成橡胶和合成纤维。他发明的合成橡胶是氯丁橡胶,杜邦公司立即使之工业化了。这些我们在前面已经讲过了。现在我们来讲合成纤维的发明和工业化。

  卡罗瑟斯在合成聚合物时发现,聚合过程中水分子的形成,是阻碍小分子结成更长的"链条"的关键。卡罗瑟斯将一种新的实验仪器——分子蒸馏器应用到聚合中,终于解决了这一难题。1930年的一天,卡罗瑟斯的助手希尔(Hill)兴奋地跑到卡罗瑟斯的实验室,他手里拿着一根玻璃棒,玻璃棒的另一端上附着雪白透明的细丝。他告诉卡罗瑟斯说,聚合实验后,容器里形成了一堆东西,怎么洗也洗不掉,就用玻璃棒去挖,一拉,拉出了一根根细丝。卡罗瑟斯用手拉了一下,很有弹性。卡罗瑟斯点点头,很满意,他满意的倒不是他们合成出来了具有应用价值的合成纤维,而是对分子蒸馏器的成功应用感到满意。卡罗瑟斯是一个具有理想主义的科学家,对科学的实际应用没有兴趣。卡罗瑟斯指导助手们用分子蒸馏器合成更多的聚合物,并对它们的化学性质和化学结构展开深入的研究,根本就不考虑这些合成纤维的工业应用问题。

 1930年斯丁被提升到公司的执委会,波尔顿(E.K.Bolton)成为化学研究部主任。跟斯丁不同,波尔顿是坚持认为,科学研究必须为实现企业利润服务,他上台后,对卡罗瑟斯的研究工作实行较为严格的指导和控制。比如,他不允许卡罗瑟斯发表合成纤维方面的论文,要他们申请专利。对此卡罗瑟斯甚为不满,闹情绪,但最终还是服从了领导。

卡罗瑟斯在实验室里合成出来了几百种聚酰胺,它们能拉制出在强度 韧性 弹性和耐水性等方面都很好的丝线。卡罗瑟斯称它们叫尼龙(nylon)。

1935年春,卡罗瑟斯确定戊二胺和癸二酸是合成纤维的最优秀的原料,合成的多聚酰胺,他称之为尼龙5—10。研究部主任波尔顿说,尼龙5—10的熔点太低,而且原料昂贵,工业上没有应用价值,就叫卡罗瑟斯用己二胺(含有6个碳原子)和己二酸(也含有6个碳原子)来合成尼龙66。卡罗瑟斯身不由己,奉命合成尼龙66,为此他不得不放弃了自己的研究计划。1937年春,卡罗瑟斯完成了对尼龙66的研究,同年注册了尼龙66的专利。

在尼龙66发明出来以后,杜邦公司的总经理决定以“最短的时间,把试管和柜台之间的距离连接起来”。从公司的各个部门调集了230个化学家和工程技术人员,投入巨大的资金,开始有组织地从事"追捕猎物"的行动。1938年建成中间试验装置。这年还发动广告攻势,主题是"用煤 、空气和水制成的纤维,跟钢丝一样结实,像蜘蛛丝一样纤细,那就是光泽美丽的尼龙丝"。1939年开始大规模生产尼龙。1940年向市场上投放400万双尼龙袜,人们如潮水一样涌向柜台,四天内就销售一空。这年,杜邦公司共销售了6400万双尼龙袜,大发利市。

杜邦公司为尼龙的研制和工业化生产投入了巨额资金。据估计,杜邦公司从对聚合物的基础研究到工业化生产尼龙,历时11年,投资2200万美元,其中研究投资100万美元,设备投资2100万美元。这是一笔巨大的投资,但是它所带来的回报,不知要超过多少倍。

第二次世界大战期间,尼龙用于制造降落伞,飞机轮胎的帘子线、滑翔机托绳等战略物质,为赢得战争的胜利做出了巨大的贡献。迄至1953年,杜邦公司一直垄断美国的尼龙生产。1953年一些美国化工企业获得杜邦公司的许可证,开始生产尼龙。现在尼龙产品有成千上万种。

二、德国化工集团总裁荣获诺贝尔化学奖:高压加氢技术科学

1908年,德国化工集团法本公司(前巴斯夫、拜尔、赫斯特等公司合并组成的托拉斯)指派研究部主任卡尔·博施博士(C.Bosch,1874~1940),与合成氨实验室发明人哈伯(Fritz Haber,1868-1934)一同攻关,1913年实现了合成氨的工业化生产。1919年,哈伯因为开创和发展了合成氨高压加氢技术科学而获得了诺贝尔化学奖。

之后,博施又投入到煤制油高压加氢技术科学的研究、开发和技术创新攻关工作,取得成功。1931年,身为法本公司博施,与化学家伯吉尤斯(F.Bergius,1884~1949)共同荣获诺贝尔化学奖。

1911年6月,伯吉尤斯取得了用水煤气制造氢气的新工艺。伯吉尤斯在研究水煤气时,还实现了煤的人工合成。

在完成了天然石油的氢化研究之后,伯吉尤斯进而研究煤的氢化。他先研究人工煤的氢化反应。1913年夏天,伯吉尤斯在150个大气压、400C温度下,对2克人工煤进行氢化处理,结果发现:80%的人工煤分解成了小分子产物。伯吉尤斯倍受鼓舞,就拿天然煤来研究。研究表明,天然煤亦可以氢化成小分子。他将150千克煤倒入体积为400升的钢制压热器,加入苯溶剂,搅拌成糊状。通入5千克的氢气。在温度为400C、压力为200个大气压下,反应12个小时。分析产物,发现85%的煤已经完全氢化;分馏产物,得到石油碳氢化合物。这年秋天,伯吉尤斯申请注册了煤高压氢化的专利。这是他在煤氢化领域取得的第一个专利。

伯吉尤斯发现,加入少量金属氧化物催化剂,能大大提高氢化反应的速度。伯吉尤斯还发现,煤氢化工艺可以实现连续操作。后来,伯吉尤斯不断改进煤加氢工艺和中试工作。

1925年,身为I.G.法本公司总裁的博施,认准煤氢化工业有着巨大的商业价值,于是亲自领导众多的化学家对煤氢化进行大会战,不久便取得了突破性进展。一、工业化学家皮尔(M.Pier,1882~1965)成功地改进了伯吉尤斯工艺流程,将它分成两步,第一步,将煤氢化,生成重油;第二步,将重油裂解成小分子。这样就大大提高了生产效率。二、制造出了能控制氢化温度和氢化速度的反应器。三、经过大量的试验,寻找到了高效又价廉的催化剂。

于是,法本公司着手建设煤氢化工厂,1927年4月竣工。该工厂每年生产30万吨合成燃料。至1944年,德国共建设了12家大型煤氢化工厂。那年,德国共制造了300万吨合成燃料,其中200万吨是高质量的辛烷-100汽油。

煤氢化的成本固然比天然石油要高,然而在二战期间,德国进口石油的渠道被切断,就非发展煤氢化工业不可了。这12家工厂为德国军队提供了大部分所需的燃料。

英国也很重视煤氢化的战略意义。1935年英国帝国化工公司(简称ICI)在政府的支持下,建起了煤氢化工厂,年产汽油10万吨,提供给空军。由于经济原因,1958年工厂停产。

二战结束后,德国12家煤氢化工厂大部分被盟军拆除,有的转向精炼石油,只剩下4家工厂继续从事煤变油的生产。

20世纪70年代以来,煤氢化的研究受到世界各国的普遍重视。人们认识到,煤是一种肮脏的能源,严重污染环境,破坏生态平衡。通过煤氢化工艺,可以使煤变成清洁能源,这对于人类实现可持续发展有着十分重要的意义。

三、GE冒出了一个诺贝尔奖:朗谬尔

1932年,通用电气公司的欧文•朗谬尔(Irving Langmuir,18811957)获得诺贝尔化学奖。他是美国第一位荣获诺贝尔奖的工业科学家。

从哥伦比亚大学毕业后,朗谬尔到德国留学,就读于哥廷根大学,导师是著名化学家能斯特(Walther Hermann Nernst ,18641941)。能斯特对热力学的研究做出了杰出的贡献,获得1920年诺贝尔化学奖。名师出高徒。过了12年,能斯特的学生朗谬尔也获得了诺贝尔化学奖。

经过三年的刻苦攻读,朗谬尔1906年获得德国博士学位,那时德国化学博士学位在世界上都很吃香。学成归国,朗谬尔在一所工学院谋得教职,讲授化学。1909年,朗谬尔进入通用电气公司的研究实验室。从此,朗谬尔与通用电气公司结下了终身的缘分。他那多产的一生,计有200篇论文,63个专利, 数不清的荣誉和奖励,包括荣膺1932年诺贝尔化学奖,都是在通用电气公司度过的。

朗谬尔曾经到过中国。那是19341935年间,朗谬尔周游了日本、东南亚等国家,途经北京,并做了一场演讲,题目是“高真空管壁上的电子发射与放电”,受到我国科学界的热烈欢迎。

通用电气与基础研究:朗谬尔与原子理论

通用电气公司鼓励和支持理论研究,哪怕这类研究跟公司的利益相差十万八千里,一点都不沾边。他们相信,基础研究终究会“致用”。正如1920年通用电气实验室的年度报告中说:“实验室里某些最优秀的研究者从事着纯粹的科学研究工作,其果实尚未成熟,不能计入年度报告之中,但是,他们的工作却为实验室将要进行的大量研发工作打下了基础,而且,最终可能会变成我们最有用的产品。”朗谬尔关于原子理论的研究,就是一个典型的例子。

起初,科学家认为原子是最小的微粒,不可再分。这种观点在19世纪受到了挑战。19世纪即将结束之际,英国科学家J.J.汤姆逊发现了电子,并提出原子是由带正电粒子和带负电的粒子组成。物理学家们为原子构造了多种模型,其中最重要的是英国科学家卢瑟福提出的行星模型,认为:电子围绕着一个带正电的核运动,就像行为围绕太阳旋转一样。

一个合理的原子模型应该能解释人们观察到的化学现象。化学家发现元素按照一定的比例结合成化合物,于是有化学家提出“化合价”的概念,用以表征元素的化合能力。元素的化合价以及化合物的形成,明显跟原子的结构有关。但是,当化学家采用物理学家提出的原子模型来解释化合价时,问题多多,令人费解。简单的化合物如氯化钠,容易解释。钠原子带一个单位的正电荷,氯原子带一个单位的负电荷,结果两个原子依靠正负静电相互吸引形成氯化钠。但是,碰到复杂的化合物,这种解释就行不通了。比如碳原子的化合价,是变化不定的,取决于它所组成的化合物。为了构画出含碳化合物的结构,有机化学家通常采用“圆点”、“短线”这类符号来表示,它们跟电现象没有任何关系。

1916年,加州大学的刘易斯(G.N.Lewis18571946)建立了一个新的原子模型,试图将化合价的概念统一起来。他提出,原子由原子核和电子组成的立方体,电子倾向于占据立方体的顶角处。如果原子的外层轨道含有的电子数与惰性气体原子外层轨道含有的电子数相等,那么,原子就处于稳定状态。他还提出,两个(或多个)原子可以通过共用一对或多对电子,形成具有惰性气体原子的电子层结构,即形成稳定的“八隅体”型分子。

朗谬尔阅读了刘易斯的文献,并对原子结构进行了深入的研究,修正并发展了刘易斯的理论。19191921年间,朗谬尔在《美国化学会会刊》上发表了“电子在原子和分子中的排布”、“原子结构和价键的八隅态理论”、“原子结构理论”等十几篇有关原子结构和化学键理论的论文。朗谬尔提出了新的原子模型:带正电的核周围有若干同心的立体壳层,电子位于这些壳层上,可以是静止的,也可以是运动的。朗谬尔的真正贡献在于,这一原子模型可以解释原子的化合过程和化合价问题。朗谬尔提出了电子壳层的几种稳定构型,即第一壳层上有2个电子,是稳定的;第二壳层有8个电子,是稳定的,依次推下去。照朗谬尔的理论,原子化合形成化合物,其实质在于原子的最外壳层形成稳定的构型。

根据朗谬尔的理论,化合物可以分为两种,一种是离子化合物,另一种是共价化合物,它是由原子共享一对或多对电子对而形成的。朗谬尔的理论有诸多优点,它能对化合价给出物理解释,能解释为什么同位素现象。朗谬尔的原子模型在现代化学发展史上具有重要的意义。

朗谬尔关于原子理论的研究,向世人表明,通用电气公司实验室不光是搞技术开发,而且还做基础研究,并能取得很高的成就。

 朗谬尔与表面化学

 通用电气实验室对化学研究一直都很重视,而且富有成效。通用电气实验室在化学领域取得的最高成就是出了一个诺贝尔化学奖获得者朗谬尔。1932年诺贝尔化学奖授予了朗谬尔,以表彰他在表面化学方面做出的杰出贡献。

朗谬尔对表面化学感兴趣,可以追溯到第一次世界大战前,那时他正在研究白炽灯。他发现氢和氧在灯丝上形成了薄薄的一层,大约只有一个原子的直径那么厚。经过多年的研究,朗谬尔对单分子表面层的本质有了深入的了解。1916年,朗谬尔发表了“固体与液体的结构和基本性质”的论文,首先提出固体吸附分子的单分子吸附层理论。朗谬尔认为,固体表面原子对气体分子的吸引力的本质,是固体表面原子的剩余价力。如果固体表面已经吸附了一层气体分子,剩余价就被完全用掉了,不能再吸附第二层分子了。剩余价力的大小,决定固体吸附剂对气体分子的吸附强弱。吸附作用是气体分子在吸附剂表面上凝聚和蒸发两个相反过程的平衡。朗谬尔由此推导出了著名的朗谬尔等温吸附方程式。

 朗谬尔的工作奠定了现代表面化学的基础,对催化、液体或固体表面分子的导向等领域的研究,具有重大的意义。瑞典皇家科学院在授予朗谬尔1932年诺贝尔化学奖,以表彰他在表面化学领域内的杰出发现和研究。

 

1973年,通用电气公司又出现了一位诺贝尔奖获得者。通用电气公司的贾埃弗(Ivar Giaever,1929-)与其他两位科学家,因对“隧道现象”的研究做出了杰出的贡献而共同荣获1973年诺贝尔物理学奖。

四、贝尔实验室盛产14个诺贝尔奖

贝尔实验室自1925年成立以来至今,一共冒出了14个诺贝尔奖得主,如下图所示。

来源:https://www.bell-labs.com/about/

 

戴维森(Clinton J.Davisson1927年开始从事电子衍射方面的工作,揭示了物质的波动性本质, 1937年荣获诺贝尔物理学奖,这是贝尔实验室的研究人员第一次荣获诺贝尔奖。

1957年,贝尔实验室的John Bardeen(巴丁), Walter Brattain, and William Shockley因对半导体的研究最后导致发明晶体管,获得诺贝尔物理学奖。1951年巴丁离开贝尔实验室,到伊利诺伊大学香槟分校任教,因对超导的BCS理论的贡献,1972年再获诺贝尔物理学奖。

Arno PenziasRobert Wilson发现了宇宙3K背景辐射,对“大爆炸”理论提供了强有力的支持,获得诺贝尔奖。

华裔科学家朱棣文(Steven Chu1948-),1997年诺贝尔物理学奖获得者;曾任美国能源部部长。

1998年,Horst Stormer 与两位前贝尔实验室科学家Daniel TsuiRobert Laughlin,因对分数量子霍尔效应的贡献,获得诺贝尔奖。

白兹格(Eric Betzig),因对超分辨率荧光显微技术的贡献,获得2014年诺贝尔化学奖。

 

2000323日,贝尔实验室在北京成立了贝尔实验室基础科学研究院(中国),这是贝尔实验室有史以来第一次在美国本土之外建立研究院。

 结 语

无论是从公共物品的经济学看,还是从演化经济学看,基础研究必须得到来自政府的公共支持,但这并不意味着(私人)企业不会资助基础研究。以上案例充分证明,以盈利赚钱为目标的企业,也舍得投入和从事短期内看不到经济效益的、不确定性和风险性很高的、很可能打水漂的、不能独占效益的基础研究。换言之,市场机制在基础研究资源分配中也能起到重要的作用。

据资料,美国产业界在19401990年的50多年的时间里,其基础研究占R&D的比例,平均约在6%。当前,发达国家的企业基础研究经费占其R&D 经费的比例一般处于5% 10%。相比之下,当前我国企业基础研究经费占其R&D 经费的比例仅为0. 1%。这固然跟我国整体工业化发展阶段落后于创新型国家有关,也跟我国企业技术水平整体上还处于模仿跟踪、跟跑追赶有关,有其现实存在的合理性。但是确实存在着“企业对基础研究重视不够”的问题。

我国领军企业尤其是央企,当充分认识基础研究(尤其是应用基础研究)对技术创新可以产生可观的经济效益,对降低企业的技术学习成本、对提高外部科技的“吸收能力”、对发挥“第一行动者优势”等是有利的。因此,我国产业界应该在继续做大R&D投资的同时,从开发和应用研究的投资中挤出一部分来,逐步提高对基础研究的投资。



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GMT+8, 2018-11-14 16:47

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