材料界的明日之星

作者: 原创

发布日期: 2016-09-22

本文介绍了多种未来超级材料,包括空气合金、金属微格、热电材料、超材料、碳纳米管、过渡金属硫化物、透明铝、石墨烯和锡烯,这些材料因其独特的性质和广泛的应用前景而被视为材料界的明日之星,它们将重塑未来的制造业和科技发展。

就像钢铁和塑料带动了制造业的革命,新发现的超级材料都具有非常迷人的性质,以及具备广泛的应用,它们将重塑未来。下面我们盘点一些最有前景的未来超级材料的性质和用途。

空气合金具有极其低的密度,要比水要轻100倍,并且可以承受超过它们自身20000倍的重量,这使它们成为地球上最轻的固体材料。这种材料同时具有超绝缘性,不仅绝热绝冷,而且隔音效果也非常好。用途:大规模建设、飞船、太空服以及火箭技术。(事实上,NASA已经研发出了一种超薄易弯曲的空气合金,在太空服和火箭技术上可以得到充分应用。)

金属微格为立体金属开放式多孔聚合物,其成分中多达99.99%是空气,另外0.01%是相互连接的固体空心管晶格。它是世界上最轻的金属材料,能够像羽毛般轻盈地漂浮在空中接着落地。金属微格在吸收能量的性能上也相当好,无论是经过压缩或扭转,都能反弹回原状。例如将一颗鸡蛋利用金属微格包裹中,从25层的高楼丢下,金属微格可以保护鸡蛋坠地时完好如初。用途:飞机结构、航空学和汽车业。

热电材料是一种能将电能与热能交互转换的材料,此种材料能够在足够的温差下产生电动势,达到以热生电的现象。热电材料可使废热能转换为电能,可能提高能源效率或作为一种替代能源。天然矿物质黝铜矿和方钴矿都可以作为热电材料,而且制造成本低廉。用途:应用于航天器的能量转换,以及耗能较大的机器,比如汽车、冰箱和CPU散热器等。

超材料是一种尺寸小于光的波长的结构,被设计来散射光线。可以用来散射微波、无线电波和鲜为人知的T-射线。某些超材料具有负的折射率,因此可以利用这个特殊的光学性质制作“超级透镜”用来观察那些尺寸小于显微镜光波波长的材料的特征。用途:隐形斗篷,医用的新T-射线扫描仪,相控阵光学技术可以完美的呈现全息图像。

碳纳米管是碳原子组成的长链,它们被在化学上称为最强的化学键sp2键连接在一起,甚至比组成钻石的sp3键都要强。碳纳米管拥有许多突出的物理性质,例如极高的拉伸强度和弹性电子传输(非常适合于电子学应用)。用途:唯一能被用来建造太空电梯的材料。

过渡金属硫化物具有相当简单的二维结构。钼或钨等过渡金属原子的单排结构(上图黑色),夹在同样薄的硫或硒元素层(上图黄色)之间。过渡金属硫化物非常薄、透明和灵活,是极好的半导体。用途:制作软性电子(可弯曲屏幕)、数字电路、量子通讯,以及能源储存。

透明铝是一种氮氧化铝,硬度是钢铁的3倍多,石英镜片的4倍多,蓝宝石的85%。用途:透明装甲(防弹玻璃)、红外圆顶(太空船/太空站)、摩天楼和驾驶舱。

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,同时拥有极小的电阻率。因此被期待可以用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体。用途:从所有科技消费品,到生物工程,再到能量储存(超高效电池)。

锡烯是石墨烯的“表亲”,由单原子层的锡构成,它的边沿态在室温下可以实现量子自旋霍尔效应。锡烯在常温下能达到100%导电率的超级材料,同时也是一种拓扑绝缘体,在这种材料内,载荷子(如电子)无法到达材料的中心,只能在边缘自由移动。用途:设计更快、更有效的微芯片。

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