九種新材料改變未來制造業(yè)

　　研究人員正在致力于開發(fā)先進(jìn)的泡沫、涂料、金屬和其他物質(zhì)使我們的房屋,汽車和電子產(chǎn)品更節(jié)能和環(huán)保。制造業(yè)的未來取決于一系列技術(shù)突破，如機(jī)器人,傳感器和高性能計(jì)算,等等。但是材料制造商使用什么性能的材料和如何來制備這些設(shè)備將具有非常的影響。新材料改變生產(chǎn)過程和最終使用結(jié)果。

　　《科學(xué)美國人》曾在特別報(bào)道“如何制造下一個(gè)大突破”中，展示了幾個(gè)正在研發(fā)的新材料幫助發(fā)明家和工程師開發(fā)下一代技術(shù)。這些成分包括超絕緣氣凝膠宇航服、建筑工程中的高韌性混凝土布料和可代替有毒塑料的復(fù)雜天然高分子材料。

　　超薄鉑

　　將來，氫燃料電池汽車可作為清潔的交通工具,但他們?nèi)匀话嘿F的部分原因是他們使用貴金屬鉑,促進(jìn)電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生電能?？焖俣统杀镜囊环N新方法沉積超薄層鉑，可減少燃料電池中使用的金屬催化劑,從而大大降低成本。當(dāng)前應(yīng)用石墨烯鉑的主要方法——原子層沉積，低效而復(fù)雜。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院準(zhǔn)則，新方法則廉價(jià)且容易實(shí)現(xiàn)。從本質(zhì)上講,鉑在溶液中溶解，是通過交替正負(fù)電壓在單原子層中沉積。通過重復(fù)可快速且輕松地構(gòu)建任意原子層厚度。

　　大型磁鐵

　　稀土材料因?yàn)榫邆浞浅：玫拇盘匦裕瑢τ谥苽滹L(fēng)力渦輪機(jī)，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車以及家用電子器件至關(guān)重要。但是同時(shí)他們也具有價(jià)格敖貴和來源單一(只有中國有)的特點(diǎn)。然而，根據(jù)美國電子能源公司的消息，電動(dòng)機(jī)使用磁鐵將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，一個(gè)很小尺寸的燒結(jié)的稀土磁體便能夠產(chǎn)生非常強(qiáng)大的磁場，這使制造商能夠制備更小和更輕的汽車成為可能。這家公司已經(jīng)與美國特拉華大學(xué)研究人員合作以尋找一種能夠?qū)⑾⊥链盆F的電阻率提高至少30%的制備工藝。他們的目標(biāo)是利用電阻率增加的磁鐵即使在汽車高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率損失。上圖便是塊狀的鍍鎳的釹磁鐵，是世界上使用最廣泛的一種稀土磁鐵之一。

　　仿生學(xué)塑料

　　在家蠅和蚱蜢堅(jiān)硬的外骨骼中發(fā)現(xiàn)了一種自然昆蟲表皮，它有足夠輕的重量保證飛行，足夠薄以保障彈性和足夠的強(qiáng)度以保護(hù)它的身軀。這種表皮能夠在不增加重量或體積的情況下給軀體提供保護(hù)。哈佛大學(xué)生物工程研究所工程研究員發(fā)現(xiàn)了一種稱之為Shrilk 的新材料以復(fù)制昆蟲表皮的強(qiáng)度、耐用性和多功能性。Shrilk，之所以這樣命名是因?yàn)檫@種材料包含了從廢棄的蝦殼(shrimp shells)和蠶絲(silk)蛋白的蛋白質(zhì)中提取出的殼質(zhì)，能夠用來制備可以迅速降解的垃圾袋，包裝袋和尿布。

　　作為一種異常堅(jiān)硬，具有生物相容性的材料，它也能夠被用于需要承受高載荷的傷口縫合，比如在疝修補(bǔ)或者用作組織再生的支架。

　　更便宜的或更輕的碳纖維

　　未來的汽車需要高強(qiáng)度，重量輕的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來提高汽車效率和運(yùn)行里程，但是低成本也是取得市場成功的充分條件。一個(gè)由國家實(shí)驗(yàn)室，和在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的碳纖維技術(shù)中心工作的產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界工作人員共同組成的團(tuán)隊(duì)正在致力于克服降低碳纖維成本的挑戰(zhàn)。美國能源局撥給了橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室3500萬美元的經(jīng)費(fèi)來建立和運(yùn)行這個(gè)碳纖維技術(shù)中心。這其中包括了一個(gè)年產(chǎn)能25噸新碳纖維材料的小規(guī)模試驗(yàn)場。

　　納米晶體設(shè)計(jì)師

　　三位芝加哥大學(xué)的化學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新方法裝配他們稱之為“原子設(shè)計(jì)師”的新型材料，它有巨大的潛能和能廣泛地應(yīng)用。這些設(shè)計(jì)原子為納米晶體——微小晶體陣列足夠小以致新的量子現(xiàn)象開始出現(xiàn),但尺寸也足以實(shí)現(xiàn)新功能材料和性能,這可用于收集太陽能和實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。

　　堅(jiān)硬固體涂料

　　來自橡樹嶺和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的工程師，科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的和其他地方的工程師已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種用于工業(yè)鉆頭,鉆孔和刀具的耐極端情況，鐵基的玻璃合金涂層，從而增強(qiáng)這些裝置在高載荷情況下的斷裂強(qiáng)度。納米盾涂料——納米尺寸非常堅(jiān)硬價(jià)格并不敖貴的激光沉積涂料的簡稱，它需要用激光融化刀具和其它隧道鉆孔工具表面的合金粉末。這種涂層遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的像碳化鎢鈷材料便宜，而且它們的運(yùn)行壽命更長，進(jìn)而提高了隧道鉆頭打孔的效率。

　　廢物轉(zhuǎn)化為能源熱電技術(shù)

　　西北大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的科學(xué)家們展示了一種熱電材料能高效轉(zhuǎn)化廢熱為電能。這是好消息如果你考慮到將近三分之二的能源輸入丟失作為廢熱。現(xiàn)有熱電材料的低效率限制了他們的商業(yè)用途。創(chuàng)紀(jì)錄性、環(huán)保穩(wěn)定的方法預(yù)計(jì)將15 - 20%的廢熱轉(zhuǎn)化成有用的電能,讓更大的工業(yè)采用熱電技術(shù)。廢熱回收系統(tǒng)可以連接,例如,車輛排放或從玻璃制磚工廠，煉油廠,化石燃料發(fā)電廠以及大型運(yùn)輸和油輪處理的排放。

　　導(dǎo)電油墨

　　量子-電子法可制作奇特但有用的內(nèi)部絕緣、表面導(dǎo)電的半導(dǎo)體。材料大部分區(qū)域作為絕緣體,阻礙電子運(yùn)動(dòng)，然而表面是非常好、像金屬的導(dǎo)體，能讓電子以近光速自由運(yùn)動(dòng),不受通常材料中阻礙電子運(yùn)動(dòng)的雜質(zhì)的影響。不含金屬的導(dǎo)電油墨在印刷電子材料發(fā)揮重要作用，應(yīng)用于顯示屏、傳感器和電池。例如,伊利諾斯州大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一個(gè)銀基電動(dòng)油墨在蒸發(fā)時(shí)留下導(dǎo)電材料痕跡。新配方比傳統(tǒng)的電子墨水更易使用,與許多材料粘附性好，在較低溫度下使用一個(gè)簡單的桌面設(shè)備就可打印。

　　真菌泡沫

　　從最初構(gòu)想得到一種廉價(jià)的、綠色的以及泡沫聚苯乙烯的高效替代品，Ecovative設(shè)計(jì)公司通過農(nóng)作物廢料、植物的莖及大米和小麥殼以及緊連在一起的木須(菌絲)來制備蘑菇包裝材料。公司目前正利用這些蘑菇材料來生產(chǎn)能夠用于生物降解的替代者，使之能夠降解汽車保險(xiǎn)杠，門，屋頂，引擎室，行李箱襯墊，儀表盤和座位里面使用的以石油為原料的塑料泡沫。另外一個(gè)潛在的應(yīng)用包括桌面，沖浪板和衣服的降解。(工業(yè)經(jīng)濟(jì)論壇)