材料革命近在眼前——超级材料将会如何改变世界？

材料牛注： 每一次新材料的发现应用都会给人类文明带来巨大进步。从石器时代，青铜时代，铁器时代到硅时代，新材料对我们生活的改变越来越大，而现在，新型材料层出不穷，尤其以石墨烯为为代表的超级材料更是表现出科幻作品中未来材料的特性，新一轮的材料革命已经近在眼前，它们将会如何改变我们的生活？让我们来看看科学家们做出的分析和大胆预测。

数千年前，人们发现可以通过加热石头得到金属，人类发展步入新的纪元。之后，炼钢技术再次改变人类文明进程。近代以来，我们又从石油中得到塑料。每当发现新的材料，我们就可以突破原来的限制，文明的发展就会因此飞跃。

如今，我们正处于将再次改变世界的材料科学革命的边缘。科学家们所开发的工具已经可以进行设计，构建和塑造出超乎我们想象的“超材料”。

铅笔中的超材料

科幻电影中的未来材料已经出现在当下。典型例子就是石墨烯，它与你手边铅笔中的石墨材质一样。石墨烯是一片只有一层原子厚度的二维材料。它的重量几乎为零,但强度比钢高300倍。它导电效率和散热效率超过其他任何材料。并且是地球上唯一一种能完全阻挡气体渗透的物质。

从一开始人们对于石墨的期望就非常高，并且从未衰退。至少有13场聚焦石墨烯、二维材料和纳米材料的会议定于2016年。欧盟发起了欧洲有史以来最大的研究计划，希望在2026年使石墨烯成为主流材料。并且研究人员们已经开发出一系列引人注目的功能：新类型的传感器、高性能的晶体管，超轻且超强的复合材料。

在2015年，IBM成功将碳纳米管-石墨烯卷成管状，从而在硅片上可以集合更多计算能力更快的晶体管。实际上，将晶体管缩小至纳米级别可以让处理器同时具有极大能量与极小尺寸，我们称之为“智能尘埃”。

但这些并不是石墨烯所有的功能。下面的例子是科研人员认为超材料在不远的将来会带给我们的改变：

• 电池续航是现在的两倍且一次充电可以让电动汽车跑500英里。
• 太阳能利用效率是现在的一千倍以上
• 衣服可以导电并连接无线网络
• 可以弯曲、高导电性能的显示屏
• 海水脱盐的能量可以减少百分之十五到百分之五十
• 任何表面涂层都需要防护水和空气

可能的奇迹

令人惊讶的是，现在对石墨烯的研究还只流于表面。这些先进材料还处于研究中，未来这些材料可能的用途和功能仍让我们惊叹不已。

纳米材料：分水水平的人为改造可以使混纺织物杀死细菌或导电，表面涂层可以让物体光滑无摩擦，陶瓷材料可以有高韧性。

可回收碳纤维复合材料：可以重新变成液体并重塑，而不是破坏后只能丢进垃圾场

超薄硅电路：使医疗仪器不但可以穿戴，还可以植入或吞服

柔性太阳能电池：可以广泛应用于任何地方，从窗户到帐篷到衣服等。

生物材料：可以创造类有机材料的机器人结构。通过电场激活软材料会带给我们全新的人/机器结合体验。下一代假肢，将会更舒适，功能更强，更难与肉体区分。

未来材料

材料科学的发展越来越让人惊叹。材料基因组计划（MGI）是一个由美国政府主导，旨在帮助美国科研机构开发研究低成本先进材料以及尽快使这些材料走向市场。

计划的核心之一就是试图绘制数以亿计的不同元素组合的数据库，科学家们可以使用人工智能来预测这些组合具有什么样的性能。随着数据库越来越大，科学家们可以根据需要选取最好的元素组合来制造具有特定功能的超级材料。

当然，没有什么技术进步是一帆风顺的，超级材料也有风险。其中的一个障碍就是如何将石墨烯整合到实际应用中，因为在此之前工业界和学术界已经投入数万亿美元在硅材料上。这意味着放弃硅是不可能的，除非石墨烯能完全代替硅，工厂、生产线、研发中心需要重组，这样两种材料可以共存于同一计划。

也就是说先进材料是变革的基石，因此我们需要时刻关注其发展。当超级材料生产成本降低，我们将在平常生活中见到它们——想象一下3D打印机打印出高计算性能物品。当它们变得更加普遍时，我们会希望这些技术紧密地关联我们的日常生活，带给我们更加智能的生活环境。当这些带来变革的材料越来越普及，很可能使现在的科技奇迹变成学龄前儿童的玩具。

参考原文链接：The Super Materials Revolution.

本文由编辑部尉谷雨提供素材，李禹辰编译，点我加入材料人编辑部。