由于新型化學(xué)中的自愈型智能材料對(duì)能量存儲(chǔ)，醫(yī)療及其他領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響，工程材料科學(xué)界在21世紀(jì)正進(jìn)行著一場(chǎng)革命。美國(guó)政府材料基因組計(jì)劃的重點(diǎn)研究是先進(jìn)材料在清潔能源，國(guó)家安全和人類福祉方面的應(yīng)用。新的工具讓我們可以通過(guò)原子級(jí)別的操作來(lái)開(kāi)發(fā)出新的材料從而創(chuàng)造出無(wú)限的可能。碳纖維復(fù)合材料可以用來(lái)制造更輕便更省油的車輛。合金正使航空電子設(shè)備發(fā)生革命性的變化。生物材料正改變著我們修復(fù)和替換壞掉的身體器官的方式。納米材料正為量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)貢獻(xiàn)著巨大的力量。

    下面是Carbeck描繪出的材料科學(xué)方面目前排名前五的重大突破和他預(yù)言的接下來(lái)三年里將會(huì)出現(xiàn)的排名前五的重大突破。

    最近排名前五的材料科學(xué)重大突破：2013到2015年

    材料基因組計(jì)劃（MGI）預(yù)言了成千上萬(wàn)的新型材料

    和人類基因組計(jì)劃記錄了人體中的所有基因然后用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)作出預(yù)測(cè)一樣，材料基因組計(jì)劃也打算把用元素周期表上的元素的上億種不同的組合記錄下來(lái)。為什么創(chuàng)造出這么一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)之后，科學(xué)家們就可以用人工智能來(lái)預(yù)測(cè)新材料組合的性質(zhì)。Carbeck解釋說(shuō)，“在過(guò)去的幾年里，我們已經(jīng)記錄了已知的10000種材料，并且在高性能計(jì)算機(jī)及量子機(jī)器的幫助下，開(kāi)始預(yù)測(cè)目前并還不存在的新材料的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。”

    石墨烯推動(dòng)了新電子設(shè)備，傳感器和復(fù)合材料的誕生

    石墨烯是鉆石和石墨的二維展開(kāi)形式，它的潛在影響正在發(fā)生。這將是我們構(gòu)建出傳感和計(jì)算無(wú)處不在的世界的關(guān)鍵因素。石墨烯在重量上比鋼筋輕兩百倍。在過(guò)去的十年里我們看到它已經(jīng)成為許多高性能晶體管，傳感器和新復(fù)合材料的選擇之一。

    可充電的金屬-空氣電池使大規(guī)模的電能存儲(chǔ)的成本低并且可靠

    新型的電池正在出現(xiàn)。它們就是像鋁-空氣，鋅-空氣和鋰-空氣這樣的金屬-空氣電池。由于不需要化學(xué)氧化劑所帶來(lái)的額外的重量和體積，它們變得更加小巧而輕便。它們有潛力為全世界無(wú)法獲得可靠電源的12億人供電。“網(wǎng)格化的金屬-空氣電池有可能超越傳統(tǒng)集中式的能源生產(chǎn)和傳輸，尤其是在非洲這樣的地區(qū)，”Carbeck說(shuō)。

    可移植的超薄硅電路使電子設(shè)備能夠隨身攜帶甚至植入體內(nèi)

    我們正在研究能夠把高性能的電子設(shè)備從硅片上轉(zhuǎn)移到能夠植入人體內(nèi)的物質(zhì)中的技術(shù)。這將改變我們與電子設(shè)備的交互方式——我們記錄日常行為，監(jiān)測(cè)健康狀況，通訊以及連接到云端的方式。

    柔軟的機(jī)器人開(kāi)始改變?nèi)藱C(jī)接口

    材料科學(xué)讓我們能夠用完全不同的材料制造出表現(xiàn)方式完全不同的機(jī)器人。例如，想象一下，不像一個(gè)剛性的金屬假肢那樣，一個(gè)柔軟的機(jī)器人假肢在通上電之后就像真正的肌肉一樣活動(dòng)。“這種柔軟的材料將會(huì)創(chuàng)造出一種全新的人類與機(jī)器人身體的交互方式，由電力驅(qū)動(dòng)，這讓我們能夠設(shè)計(jì)出像肌肉一樣的推拉系統(tǒng)。”

    那么不久的將來(lái)會(huì)發(fā)生什么呢？

    預(yù)期中材料科學(xué)領(lǐng)域排名前五的重大突破：2016到2018年

    超材料將大行其道

    不斷匯聚的超級(jí)計(jì)算，模型軟件以及微米級(jí)的添加制造法加上其他的制造技術(shù)將會(huì)讓我們提高預(yù)測(cè)的能力，預(yù)測(cè)出那些自然界中還不存在的具有不可思議性質(zhì)的工程和建筑的超材料（例如，人們穿上就能隱身的隱身斗篷）。

    鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池將擊敗硅太陽(yáng)能電池

    鈣鈦礦是一種剛好能夠讓太陽(yáng)能電池變得高效而廉價(jià)的神奇材料。五年前鈣鈦礦的太陽(yáng)能電性質(zhì)發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，其能量轉(zhuǎn)化率大約為4%。如今已經(jīng)達(dá)到了20%，并且有望在以后的幾年里提高到30%。鈣鈦礦比現(xiàn)在用來(lái)生產(chǎn)硅太陽(yáng)能電池的材料便宜了100到1000倍。到2017年我們應(yīng)該就能看到大量的使用，把我們的生活進(jìn)一步推向廣泛使用太陽(yáng)能的未來(lái)。

    人工智能和材料基因組計(jì)劃將會(huì)讓新材料的商業(yè)化以幾何速度增長(zhǎng)

    隨著云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)讓科學(xué)家們得以找到新的材料組合和材料性質(zhì)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾年的材料基因組計(jì)劃也將進(jìn)入全面發(fā)展階段。由于人工智能的應(yīng)用，大量新的商業(yè)化產(chǎn)品有望出現(xiàn)。你將能夠說(shuō)，“我想為我的膝蓋造出下一代的替代品，”Carbeck說(shuō)，并且人工智能將會(huì)知道所有可能獲得的材料從而幫助我們選出最安全可靠的那些材料。

    碳納米管和石墨烯將會(huì)使摩爾定律大大延長(zhǎng)

    要想摩爾定律繼續(xù)適用，我們需要為計(jì)算機(jī)找出從根本上完全不同的組織材料。石墨烯和碳納米管就是最有希望的解決方案。這些材料的性質(zhì)讓我們能夠繼續(xù)提高計(jì)算的性價(jià)比。我們甚至可以通過(guò)材料的預(yù)編程和自組裝在傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的芯片上加上石墨烯的功能。

    可回收的碳纖維復(fù)合材料

     盡管高性能的熱固性和熱塑性復(fù)合材料使得波音客機(jī)以及寶馬i8有了新的突破，但是一旦加熱凝固之后它們就再也不可逆也不可改變了，不像鋁和鋼筋那樣，還能融化重造。但最近的突破能夠改變這一點(diǎn)，提高它們的功用。Carbeck解釋說(shuō)，“在化學(xué)方面已經(jīng)有了真正的突破讓我們能夠進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的逆過(guò)程來(lái)讓可塑的復(fù)合材料解聚成液體狀態(tài)從而重利用。”

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責(zé)任編輯：王元

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