數(shù)千年前，人們發(fā)現(xiàn)可以通過加熱石頭得到金屬，人類發(fā)展步入新的紀(jì)元。之后，煉鋼技術(shù)再次改變?nèi)祟愇拿鬟M(jìn)程。近代以來，我們又從石油中得到塑料。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的材料，我們就可以突破原來的限制，文明的發(fā)展就會(huì)因此飛躍。

    如今，我們正處于將再次改變世界的材料科學(xué)革命的邊緣。科學(xué)家們所開發(fā)的工具已經(jīng)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建和塑造出超乎我們想象的“超材料”。

    鉛筆中的超材料

    科幻電影中的未來材料已經(jīng)出現(xiàn)在當(dāng)下。典型例子就是石墨烯，它與你手邊鉛筆中的石墨材質(zhì)一樣。石墨烯是一片只有一層原子厚度的二維材料。它的重量幾乎為零，但強(qiáng)度比鋼高300倍。它導(dǎo)電效率和散熱效率超過其他任何材料。并且是地球上唯一一種能完全阻擋氣體滲透的物質(zhì)。

    從一開始人們對于石墨的期望就非常高，并且從未衰退。至少有13場聚焦石墨烯、二維材料和納米材料的會(huì)議定于2016年。歐盟發(fā)起了歐洲有史以來最大的研究計(jì)劃，希望在2026年使石墨烯成為主流材料。并且研究人員們已經(jīng)開發(fā)出一系列引人注目的功能：新類型的傳感器、高性能的晶體管，超輕且超強(qiáng)的復(fù)合材料。

    在2015年，IBM成功將碳納米管-石墨烯卷成管狀，從而在硅片上可以集合更多計(jì)算能力更快的晶體管。實(shí)際上，將晶體管縮小至納米級別可以讓處理器同時(shí)具有極大能量與極小尺寸，我們稱之為“智能塵埃”。

    但這些并不是石墨烯所有的功能。下面的例子是科研人員認(rèn)為超材料在不遠(yuǎn)的將來會(huì)帶給我們的改變：

    電池續(xù)航是現(xiàn)在的兩倍且一次充電可以讓電動(dòng)汽車跑500英里。

    太陽能利用效率是現(xiàn)在的一千倍以上

    衣服可以導(dǎo)電并連接無線網(wǎng)絡(luò)

    可以彎曲、高導(dǎo)電性能的顯示屏

    海水脫鹽的能量可以減少百分之十五到百分之五十

    任何表面涂層都需要防護(hù)水和空氣

    可能的奇跡

    令人驚訝的是，現(xiàn)在對石墨烯的研究還只流于表面。這些先進(jìn)材料還處于研究中，未來這些材料可能的用途和功能仍讓我們驚嘆不已。

    納米材料：分水水平的人為改造可以使混紡織物殺死細(xì)菌或?qū)щ姡砻嫱繉涌梢宰屛矬w光滑無摩擦，陶瓷材料可以有高韌性。

    可回收碳纖維復(fù)合材料：可以重新變成液體并重塑，而不是破壞后只能丟進(jìn)垃圾場

    超薄硅電路：使醫(yī)療儀器不但可以穿戴，還可以植入或吞服

    柔性太陽能電池：可以廣泛應(yīng)用于任何地方，從窗戶到帳篷到衣服等。

    生物材料：可以創(chuàng)造類有機(jī)材料的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。通過電場激活軟材料會(huì)帶給我們?nèi)碌娜?機(jī)器結(jié)合體驗(yàn)。下一代假肢，將會(huì)更舒適，功能更強(qiáng)，更難與肉體區(qū)分。

    未來材料

    材料科學(xué)的發(fā)展越來越讓人驚嘆。材料基因組計(jì)劃（MGI）是一個(gè)由美國政府主導(dǎo)，旨在幫助美國科研機(jī)構(gòu)開發(fā)研究低成本先進(jìn)材料以及盡快使這些材料走向市場。

    計(jì)劃的核心之一就是試圖繪制數(shù)以億計(jì)的不同元素組合的數(shù)據(jù)庫，科學(xué)家們可以使用人工智能來預(yù)測這些組合具有什么樣的性能。隨著數(shù)據(jù)庫越來越大，科學(xué)家們可以根據(jù)需要選取最好的元素組合來制造具有特定功能的超級材料。

    當(dāng)然，沒有什么技術(shù)進(jìn)步是一帆風(fēng)順的，超級材料也有風(fēng)險(xiǎn)。其中的一個(gè)障礙就是如何將石墨烯整合到實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樵诖酥肮I(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)投入數(shù)萬億美元在硅材料上。這意味著放棄硅是不可能的，除非石墨烯能完全代替硅，工廠、生產(chǎn)線、研發(fā)中心需要重組，這樣兩種材料可以共存于同一計(jì)劃。

    也就是說先進(jìn)材料是變革的基石，因此我們需要時(shí)刻關(guān)注其發(fā)展。當(dāng)超級材料生產(chǎn)成本降低，我們將在平常生活中見到它們——想象一下3D打印機(jī)打印出高計(jì)算性能物品。當(dāng)它們變得更加普遍時(shí)，我們會(huì)希望這些技術(shù)緊密地關(guān)聯(lián)我們的日常生活，帶給我們更加智能的生活環(huán)境。當(dāng)這些帶來變革的材料越來越普及，很可能使現(xiàn)在的科技奇跡變成學(xué)齡前兒童的玩具。