奇特的正反组合发明法

组合法是发明中最常用的方法之一，它包括同物组合和异物组合两大类。正反组合法是异物组合法中的一种特殊方法，它将两个正反对立的物质或物体在一定条件下以一定的形式组合成一个新物质或物体，也叫对偶组合法。两个正反物可以是正负离子对、空穴一电子对、正负电荷对、南北磁极对和凹凸状物对等等。正反物两者共存、缺一不可。两个正反物的组合可能会有特殊的功能和用途，这就是正反组合法的思路。

两个正反对立物并不总能够同时并存。例如，由于直接触或静电感应引起两物体间具有不同静电电位而分别带有正负电荷。当静电电场的能量达到一定程度后，就会击穿其间介质而进行放电；正电子和负电子撞在一起就会释放出能量并变成光子。而带正电荷和负电荷的正负离子对与空穴一电子对则可以在一定条件下共存，整体呈中性，把它们组合起来能产生许多新发明。

完全由含氮磷的有机正离子和无机负离子组成的离子液体熔点低，在室温附近为液态。离子液体无色无味、不挥发，不会污染环境，不会氧化，被称为绿色溶剂。它作为离子溶剂可以溶解许多有机物和无机物，用于液体萃取，可用来分离核废料、萃取金属离子及油页岩中的石油等。由于离子导电，又能减轻自放电，可以用作高性能的太阳能电池、燃料电池和聚合物锂离子电池的电解质以及蓄能用的电化学电容器。用于化学反应溶剂时，它提供了与传统分子溶剂不同的反应环境，而且有的酸性和碱性的离子液体本身就可以作催化剂。一般的离子液体则可以溶解催化剂，使催化剂的活性和稳定性更好，转化率和选择性更高，可能取得与传统化学不同的惊人结果。离子液体的发明开创了化学的一个新领域。有的离子液体的低温流动性好，离子易被摩擦表面吸附形成润滑膜，可用作润滑剂。一般的无机盐由于熔点高，常温下是固体。但是在高温的条件下可以熔化成高温离子液体，这时离子就有了导电性，可以用作燃料电池的电解质；还可以在液态环境下用直接电解还原金属氧化物，制取钛、稀土、硅等及其合金，或用电沉积法制取合金膜。

以高温熔盐作助熔剂可以增强反应体系的流动性和扩散速率，使金属氧化物在不太高的温度下熔化并进行锻烧反应合成压电陶瓷。利用硝酸盐熔盐的相变潜热可以将太阳能的热量蓄起来，再驱动蒸汽汽轮机发电。

由正负两个电极和含阴阳离子的电解质构成的化学电池和电解池用的也是正反组合法，作电源用的电池中，阳极上进行金属的氧化反应，阴极上则进行金属离子的还原反应，而充电和电解时，两极上的反应与此相反。在流动的液相中添加与被测溶质正离子电荷异号的有机负离子，由于静电力作用，两者相互吸引结合形成“离子对”，利用离子对在固定相和流动液相间的分配不同，可以达到分离和检测可离解有机化合物阴阳离子的目的，这就发明了离子对高效液相色谱法。

利用“空穴一电子对”发明的固体半导体PN结是微电子器件的物理基础。锗和硅是半金属元素，锗和硅的晶片是半导体材料。以硅为例，室温下由于热运动或光的激发，少数硅原子的价电子会挣脱共价键的束缚成为自由电子(负电荷)，可以自由移动；而失去自由电子的硅原子成为正离子，但不能自由移动。电子移动走后，由于周围的价电子容易填补进来便相当于留下一个空位叫“空穴”(正电荷)，也可以自由移动，此时硅片整体呈中性。当硅晶片中掺入一个最外层有三个价电子的(三价)的硼原子而与周围的四个硅原子(四价)形成共价键时，硼原子的价电子数为7，与价电子数为8的原子稳定结构相比，少一个价电子即多一个“空穴”。掺微量硼原子的半导体叫P型半导体，而掺入一个最外层有五个价电子的(五价)磷原子与周围的四个硅原子(四价)形成共价键时，磷原子的价电子数为9，与稳定的原子结构比，多一个价电子。掺微量磷原子的半导体叫N型半导体。当P型半导体和N型半导体结合在一起时，P区的空穴和N区的电子互相扩散在交界处复合，N区磷原子失去电子变成带正电荷，P区硼原子得到电子变成带负电荷，形成了一层正负电荷的偶电层(即PN结)，整体仍然呈中性。在外加电场作用下，电源不断补充电子使电子和空穴的运动得以持续，构成能通过单向直流电流的二极管。

1947年，美国贝尔实验室的肖克莱等三位博士发明制作出具有电流放大作用的有两个PN结的半导体三极晶体管，具有推动电子工业大发展的划时代意义。PN结还用于发光二极管、光电二极管、隧道二极管、变容二极管、太阳能电池、半导体激光器、半导体温度传感器、半导体温差发电器、半导体温差致冷器、半导体探测器和半导体存储器等等许多器件中。许多不同材料的接触面都有接触电效应而产生偶电层。除PN结外，肖特基发明了由N型半导体一金属接触结构成的肖特基二极管，它有正向压降低等优点。利用不同金属接触且两端有温差时产生偶电层的电势差发明了热电偶测温器件。1969年，美国贝尔实验室发明了利用金属氧化物一半导体接触产生的偶电层而做成电容器阵列发明的电荷耦合器件，可以用来存储和转移传递电荷信息，现已用作摄像机中的固体成像元件、固态传感器及大容量存储器等器件。如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两个电极的表面形成紧密的正负电荷层，即双电层(就是偶电层)，从而发明了双电层电容器。由于紧密的电荷层间距极小，因而它容量大，还有可充电、体积小、工作可靠、寿命长等优点，被称为超级电容器，可用作电动汽车电源和应急后备电源。

电离的气体中含有大量正离子、电子及部分中性原子和分子，整体上呈中性，称为等离子(气)体。高温下大部分原子、分子互相碰撞而电离产生的是人工高温等离子体，利用其高温可用于等离子体冶炼、等离子体喷涂、等离子体焊接和切割等。利用高压氙气在电场作用下形成的弧光放电和高温而产生的人工高温等离子体，发明了大功率氙灯，它发出的光和太阳光相似。利用高温等离子体的流动并与磁场的作用而产生电动势，称为等离子体磁流体发电；低气压的惰性气体被高电压击穿产生大量高能量的电子，撞击激发中性的惰性气体原子电离并产生的辉光放电等离子体及微波等离子体等，称为人工低温等离子体，其中辉光放电等离子体已成功地用于日光灯、霓虹灯和彩色电视机的等离子体显示器中。由于低温等离子体中生成的许多活性的原子和离子极不稳定，反应性强，使许多在通常条件下不能发生或需在极其苛刻的条件下才能发生的化学反应变得容易进行，可在常温常压下进行，形成了一个新学科，称为“低温等离子体化学”。例如，本来不活泼的甲烷和氮气可以分别进行合成水煤气和合成氨反应。利用低温等离子体

法从空气制取的臭氧可以用于空气的净化和杀菌消毒、处理汽车尾气和处理温室气体。低温等离子体还可以用于材料表面刻蚀和表面改性。

极性分子含有极性键，由于两个原子对公用电子对的吸引力不同，使键的一端呈电正性，另一端呈电负性，分子中的正负电荷中心不重合，形成有不可离解的正负电荷的电偶极。极性有机化合物(也叫偶极化合物)的极性基团亲水疏油；而非极性基团则亲油疏水。将对立的亲水基团和疏水基团连接组合在一个分子中就成了表面活性剂，它可以降低油水界面、气液或液固等两相界面的表面张力，从而被广泛地用作洗涤剂、乳化剂、起泡剂、消泡剂、润湿剂和消毒杀菌剂等。近来，以既有酸性亲水基团又有碱性亲水基团(即既有阴离子亲水基团又有阳离子亲水基团)并有亲油基团的两性表面活性剂发展最快，它有对人的眼睛和皮肤粘膜刺激小、对使用水的要求低、无毒、污染少等优点。表面活性剂在极性溶剂中由于极性基团通过静电引力相互吸引而形成层状结构，可以呈现出既有液体流动性又有晶体各向异性的液晶状态。兼有阴阳离子(酸性和碱性基团)的两性聚合物在石油开采中用作选择性堵水剂、驱油剂和钻井液的降滤失剂。高分子液晶或两性聚合物分散在绝缘油中形成的悬浮液在外电场作用下因极性而相互吸引，会形成链状或柱状体，控制外加电场可以实现液态和固态间的变换，称为电流变液，可用作汽车的离合器、减振器，还可用于抗震建筑和桥梁中。

任何原子中的电子都有自旋，有闭合的电流环路就产生不可分离的磁偶极子(有南北极)，但是固体中的各个磁偶极子的磁极方向排列混乱，表现不出磁性来。只有铁磁性等强磁性固体中的各个磁偶极子的磁极方向比较一致，磁性才强。将磁性固体细粒分散在载液中形成悬浮液称为磁流体，在外加磁场作用下其流变性会改变，其粘度随磁场变化而变化，它既有磁的特性又有液体的特性，可用于防震减震、阻尼、密封、润滑、分离磁性物质、脱除磁性粉尘、血管定位和磁流体传感器。

由空间形状对立的“凹状物和凸状物对”接触组合成的连接件广泛地用于中国古典木制家具和建筑及各种机械的固定连接和活动连接中。我国在7000年前石器时代的余姚河姆渡就出现了带榫卯的井口框架木构件。中国传统的古典木制家具包括桌椅、箱柜、门窗、床和屏风等，它们都采用各种形式的榫卯结构，靠凹状卯眼和凸状榫头间相互的阴阳咬合来连接构件。榫卯结构是柔性受力的软性连接，富有韧性，不用铁钉和胶却能坚固抗震。例如，著名的山西恒山的悬空寺建在六十多米高的悬崖上，历经1500多年却屹立不倒。榫卯结构还用在石殿、石桥的石件和塔的铜铁铸件中。现代房屋的地面木地板和吊顶大都采用板条的榫头和榫槽相拼接。拼接积木、电源线插头和插座及电子器件的插接；机械固定连接中的螺栓(凸状阳螺纹)和螺母(凹状阴螺纹)；连接轴和轴上零件用的键(凸)和键槽(凹)；以及两机械构件直接接触又作相对运动的活动连接中的螺旋副等都是凸凹对组合。凸透镜能聚焦光线，而凹透镜与之相反，能使光线发散。伽利略用凸透镜和凹透镜的组合发明了望远镜。门镜猫眼由一个物镜凹透镜和一个目镜凸透镜组合而成。当我们从门内向外看时，物镜的焦距极短，它将室外的人或物成一个缩得很小的正立虚像，正好落在目镜的焦点之内，目镜起着放大镜的作用，最后得到一个放大的正立虚像，成像在人眼的明视距离附近，对于门外的情况，就看得清楚；而在室外向内看时，凹透镜变成了目镜，凸透镜则成了物镜，室内的景物通过会聚透镜后的折射光束在尚未成像前就落到发散的凹透镜上，由于焦距极短，最后得到的正立虚像距目镜很近，又由于门镜的孔径很小，室外的人不得不贴近目镜察看，这样人眼与像之间的距离远小于正常人眼的近点，因此室内的一切当然就看不清了。

正反组合法在化学、电化学和光学及化工、冶金、电子、电力、石油、机械和汽车等工业领域中都有应用，其中不少是重大的创新。事实上，在宇宙和大自然的创造中，正反组合法也是到处可见的。在一定程度上说，人工发明是直接或间接模仿自然界创造的，也就是“师法自然”，但人类也发明出了自然界所没有的离子液体、离子对色谱、半导体晶体管、电荷耦合器件等。正反组合法还体现了自然辩证法“相反相成”、对立统一的哲学思想。

目前，尽管正反组合法的发明在现有的各技术领域中都有应用，但是作为一种通用的发明方法，运用正反组合法思路的人工发明远没有穷尽，还有待人们去创造。例如，可以将雷电云的极巨大的静电能量存储到电容器中作为新能源；正反物质相遇会释放出巨大能量，如果能够较低成本地人工制造出一定量的反物质，在找到可控制的方法和条件下与正物质作用，也可能成为前景广阔的新能源。