科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中研發(fā)出了不少意義重大的超級(jí)材料，下面來(lái)看看這6種材料有何特別之處。
說(shuō)起業(yè)界所謂的“超級(jí)材料”，相信不少人首先想到的會(huì)是藍(lán)寶石。沒(méi)錯(cuò)，這種硬度超高的材料因?yàn)樘O果的青睞而備受關(guān)注。但除了藍(lán)寶石之外，科學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)出了不少意義重大的超級(jí)材料，本文就將對(duì)其中的6種進(jìn)行介紹。
自我修復(fù)材料—仿生塑料
人體具備非常強(qiáng)大的自我修復(fù)能力，但建筑環(huán)境卻并不具備這種能力。去年，伊利諾伊大學(xué)的ScottWhite研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”，當(dāng)出現(xiàn)破損時(shí)，液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復(fù)微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復(fù)最大4毫米寬的裂縫。
熱電材料—熱量清道夫
對(duì)于任何一部會(huì)使用能源的設(shè)備來(lái)說(shuō)，廢熱的產(chǎn)生都是不可避免的。根據(jù)估算，人類所使用的所有能源當(dāng)中有2/3都以廢熱的形式流失了?？梢怯修k法能夠捕捉到這些被浪費(fèi)的能量呢？
去年，一家名為AlphabetEnergy的公司開(kāi)發(fā)出了一種熱點(diǎn)發(fā)電機(jī)，它可被直接插入普通發(fā)電機(jī)的排氣管，從而把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機(jī)使用了一種相對(duì)便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據(jù)稱可達(dá)到5-10%的能效。
在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，科學(xué)家們已經(jīng)在研究另一種具備可發(fā)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(jīng)開(kāi)始了小規(guī)模的應(yīng)用—比如在太空飛船上—但方鈷礦具備廉價(jià)和能效高的特點(diǎn)，可以用來(lái)包裹汽車、冰箱或任何機(jī)器的排氣管。
鈣鈦礦—廉價(jià)太陽(yáng)能電池
成本是可再生能源發(fā)展中的最大障礙。太陽(yáng)能正在變得更加便宜，但使用晶體硅制作太陽(yáng)能電池的成本和能源消耗依然非常高。可除了晶體硅之外，還有一種可用來(lái)制作太陽(yáng)能電池的替代材料，那就是鈣鈦礦。
鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)距今已經(jīng)有超過(guò)100年的時(shí)間了，但科學(xué)家直到現(xiàn)在才開(kāi)始意識(shí)到這種材料的潛力。在2009年，使用鈣鈦礦制作的太陽(yáng)能電池具備著3.8%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率。到了2014年，這一數(shù)字已經(jīng)提升到了19.3%。相比傳統(tǒng)晶體硅電池超過(guò)20%的能效，這或許算不了什么，但這里還有其他兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要考慮：首先，鈣鈦礦的能效僅在幾年的時(shí)間里就得到了大幅的提升，且科學(xué)家認(rèn)為，這種材料未來(lái)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(jié)構(gòu)所定義的一種材料類別，它們可以包含任意數(shù)量的元素，用在太陽(yáng)能電池當(dāng)中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，無(wú)需在清潔的房間當(dāng)中精心組裝。
氣凝膠—超輕、超強(qiáng)韌
氣凝膠看上去似乎是一種不真實(shí)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，這也就是為什么它看上去就像是一團(tuán)煙。氣凝膠可由任意數(shù)量的物質(zhì)所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯。由于空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結(jié)構(gòu)也賦予其超高的強(qiáng)韌性。
不過(guò)氣凝膠也有一個(gè)致命的缺陷：脆性，特別是原材料為二氧化硅時(shí)。但NASA的科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過(guò)大氣層時(shí)的絕緣材料。將其他化合物加入到二氧化硅氣凝膠可增強(qiáng)其柔韌性，再加上本身的輕巧、強(qiáng)韌和絕緣性，這將會(huì)使其成為一種不可思議的材料。
超材料—光操縱器
如果你聽(tīng)說(shuō)過(guò)超材料(metamaterial)，那介紹它的材料當(dāng)中應(yīng)該還提到了“哈利波特”和“隱形斗篷”。是的，超材料的納米結(jié)構(gòu)能夠以特定的方式對(duì)光線進(jìn)行散射，在未來(lái)，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(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行重新導(dǎo)向。根據(jù)制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無(wú)線電波、和不太為人所知的T射線。實(shí)際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。
比如說(shuō)，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(shí)改變，無(wú)論是被用在醫(yī)療還是安全領(lǐng)域。
Stanene—導(dǎo)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。但由于使用了錫原子而非碳原子，這使其具備了石墨烯所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特性：100%的導(dǎo)電率。
Stanene在2013年由斯坦福大學(xué)張首晟教授首次進(jìn)行了理論化。預(yù)測(cè)Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實(shí)驗(yàn)室所擅長(zhǎng)的領(lǐng)域之一，根據(jù)他們的模型，Stanene是一種拓?fù)浣^緣體，也就是說(shuō)，它的邊緣是導(dǎo)體，而內(nèi)部是絕緣體。這樣一來(lái)，Stanene就能在室溫下以零阻力導(dǎo)電。
Stanene的屬性尚未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試—畢竟制作單層錫原子并不是件易事—但張教授對(duì)于其他一些拓?fù)浣^緣體的多項(xiàng)預(yù)測(cè)都被證明是正確的。
如果對(duì)于Stanene的預(yù)測(cè)也被證實(shí)，那它有可能對(duì)所有電子設(shè)備內(nèi)部的微芯片產(chǎn)生革命性影響。也就是說(shuō)，芯片的性能將會(huì)被大大增強(qiáng)。由于電子所產(chǎn)生的熱量，硅芯片的性能是有所限制的—如果運(yùn)轉(zhuǎn)速度過(guò)快，發(fā)熱也會(huì)過(guò)高—而擁有100%導(dǎo)電率的Stanene卻不會(huì)有這樣的問(wèn)題。
