未來6種超級材料有能力改變整個世界

科學傢們在實驗室中研發出瞭不少意義重大的超級材料,下面來看看這6種材料有何特別之處。

  

說起業界所謂的“超級材料”,相信不少人首先想到的會是藍寶石。沒錯,這種硬度超高的材料因為蘋果的青睞而備受關註。但除瞭藍寶石之外,科學傢們已經在實驗室中研發出瞭不少意義重大的超級材料,本文就將對其中的6種進行介紹。

  

自我修復材料—仿生塑料

  

人體具備非常強大的自我修復能力,但建築環境卻並不具備這種能力。去年,伊利諾伊大學的ScottWhite研發出瞭一種具備自我修復能力的仿生塑料。這種聚合物內嵌有一種由液體構成的“血管系統”,當出現破損時,液體就可像血液一樣滲出並結塊。相比其他那些隻能修復微小裂痕的材料,這種仿生塑料可以修復最大4毫米寬的裂縫。

  

熱電材料—熱量清道夫

  

對於任何一部會使用能源的設備來說,廢熱的產生都是不可避免的。根據估算,人類所使用的所有能源當中有2/3都以廢熱的形式流失瞭。可要是有辦法能夠捕捉到這些被浪費的能量呢?

  

去年,一傢名為AlphabetEnergy的公司開發出瞭一種熱點發電機,它可被直接插入普通發電機的排氣管,從而把廢熱轉換成可用的電力。這種發電機使用瞭一種相對便宜和天然的熱電材料,名為黝銅礦,據稱可達到5-10%的能效。

  

在實驗室當中,科學傢們已經在研究另一種具備可發展前景,甚至能效更高的熱電材料,名為方鈷礦,一種含鈷的礦物。熱電材料目前已經開始瞭小規模的應用—比如在太空飛船上—但方鈷礦具備廉價和能效高的特點,可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管。

  

鈣鈦礦—廉價太陽能電池

  

成本是可再生能源發展中的最大障礙。太陽能正在變得更加便宜,但使用晶體矽制作太陽能電池的成本和能源消耗依然非常高。可除瞭晶體矽之外,還有一種可用來制作太陽能電池的替代材料,那就是鈣鈦礦。

  

鈣鈦礦被發現距今已經有超過100年的時間瞭,但科學傢直到現在才開始意識到這種材料的潛力。在2009年,使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備著3.8%的太陽能轉化率。到瞭2014年,這一數字已經提升到瞭19.3%。相比傳統晶體矽電池超過20%的能效,這或許算不瞭什麼,但這裡還有其他兩個關鍵點需要考慮:首先,鈣鈦礦的能效僅在幾年的時間裡就得到瞭大幅的提升,且科學傢認為,這種材料未來依然有提升的可能;其二,鈣鈦礦的成本要低得多。

  

鈣鈦礦是由特定晶體結構所定義的一種材料類別,它們可以包含任意數量的元素,用在太陽能電池當中的一般是鉛和錫。相比晶體矽,這些原材料要便宜得多,且能被噴塗在玻璃上,無需在清潔的房間當中精心組裝。

  

氣凝膠—超輕、超強韌

  

氣凝膠看上去似乎是一種不真實的材料。盡管看上去空虛飄渺,但它卻能輕松承受一盞噴燈的熱量,或是一輛汽車的重量。如名所示,這是一種液體被空氣完全替換的膠體,這也就是為什麼它看上去就像是一團煙。氣凝膠可由任意數量的物質所制成,包括二氧化矽、金屬氧化物和石墨烯。由於空氣占瞭絕大部分比重,氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結構也賦予其超高的強韌性。

  

不過氣凝膠也有一個致命的缺陷:脆性,特別是原材料為二氧化矽時。但NASA的科學傢已經在實驗一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠,作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料。將其他化合物加入到二氧化矽氣凝膠可增強其柔韌性,再加上本身的輕巧、強韌和絕緣性,這將會使其成為一種不可思議的材料。

  

超材料—光操縱器

  

如果你聽說過超材料(metamaterial),那介紹它的材料當中應該還提到瞭“哈利波特”和“隱形鬥篷”。是的,超材料的納米結構能夠以特定的方式對光線進行散射,在未來,它或許真的可以讓物體隱形。

  

更有意思的是,超材料不光能對可見光進行重新導向。根據制作方式和材料的不同,超材料還能散射微波、無線電波、和不太為人所知的T射線。實際上,任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。

  

比如說,如果用超材料制作一部新型的T射線掃描儀,它的性能可隨時改變,無論是被用在醫療還是安全領域。

  

Stanene—導電率100%的材料

  

和石墨烯一樣,Stanene也是一種由單原子層所制作的材料。但由於使用瞭錫原子而非碳原子,這使其具備瞭石墨烯所無法實現的特性:100%的導電率。

  

Stanene在2013年由斯坦福大學張首晟教授首次進行瞭理論化。預測Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實驗室所擅長的領域之一,根據他們的模型,Stanene是一種拓撲絕緣體,也就是說,它的邊緣是導體,而內部是絕緣體。這樣一來,Stanene就能在室溫下以零阻力導電。

  

Stanene的屬性尚未經過實驗測試—畢竟制作單層錫原子並不是件易事—但張教授對於其他一些拓撲絕緣體的多項預測都被證明是正確的。

  

如果對於Stanene的預測也被證實,那它有可能對所有電子設備內部的微芯片產生革命性影響。也就是說,芯片的性能將會被大大增強。由於電子所產生的熱量,矽芯片的性能是有所限制的—如果運轉速度過快,發熱也會過高—而擁有100%導電率的Stanene卻不會有這樣的問題。

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