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6种超级材料有能力改变整个世界

说起业界所谓的“超级材料”,相信不少人首先想到的会是蓝宝石。没错,这种硬度超高的材料因为苹果的青睐而备受关注。但除了蓝宝石之外,科学家们已经在实验室中研发出了不少意义重大的超级材料,本文就将对其中的6种进行介绍。

自我修复材料——仿生塑料

这6种超级材料有能力改变整个世界

人体具备非常强大的自我修复能力,但建筑环境却并不具备这种能力。去年,伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”,当出现破损时,液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小裂痕的材料,这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝。

热电材料——热量清道夫

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对于任何一部会使用能源的设备来说,废热的产生都是不可避免的。根据估算,人类所使用的所有能源当中有2/3都以废热的形式流失了。可要是有办法能够捕捉到这些被浪费的能量呢?

去年,一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热点发电机,它可被直接插入普通发电机的排气管,从而把废热转换成可用的电力。这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料,名为黝铜矿,据称可达到5-10%的能效。

在实验室当中,科学家们已经在研究另一种具备可发展前景,甚至能效更高的热电材料,名为方钴矿,一种含钴的矿物。热电材料目前已经开始了小规模的应用——比如在太空飞船上——但方钴矿具备廉价和能效高的特点,可以用来包裹汽车、冰箱或任何机器的排气管。

钙钛矿——廉价太阳能电池

这6种超级材料有能力改变整个世界

成本是可再生能源发展中的最大障碍。太阳能正在变得更加便宜,但使用晶体硅制作太阳能电池的成本和能源消耗依然非常高。可除了晶体硅之外,还有一种可用来制作太阳能电池的替代材料,那就是钙钛矿。

钙钛矿被发现距今已经有超过100年的时间了,但科学家直到现在才开始意识到这种材料的潜力。在2009年,使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率。到了2014年,这一数字已经提升到了19.3%。相比传统晶体硅电池超过20%的能效,这或许算不了什么,但这里还有其他两个关键点需要考虑:首先,钙钛矿的能效仅在几年的时间里就得到了大幅的提升,且科学家认为,这种材料未来依然有提升的可能;其二,钙钛矿的成本要低得多。

钙钛矿是由特定晶体结构所定义的一种材料类别,它们可以包含任意数量的元素,用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。相比晶体硅,这些原材料要便宜得多,且能被喷涂在玻璃上,无需在清洁的房间当中精心组装。

气凝胶——超轻、超强韧

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气凝胶看上去似乎是一种不真实的材料。尽管看上去空虚飘渺,但它却能轻松承受一盏喷灯的热量,或是一辆汽车的重量。如名所示,这是一种液体被空气完全替换的胶体,这也就是为什么它看上去就像是一团烟。气凝胶可由任意数量的物质所制成,包括二氧化硅、金属氧化物和石墨烯。由于空气占了绝大部分比重,气凝胶还是一种绝佳的绝缘体。它的结构也赋予其超高的强韧性。

不过气凝胶也有一个致命的缺陷:脆性,特别是原材料为二氧化硅时。但NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶,作为太空飞船在穿过大气层时的绝缘材料。将其他化合物加入到二氧化硅气凝胶可增强其柔韧性,再加上本身的轻巧、强韧和绝缘性,这将会使其成为一种不可思议的材料。

超材料——光操纵器

如果你听说过超材料,那介绍它的材料当中应该还提到了“哈利波特”和“隐形斗篷”。是的,超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射,在未来,它或许真的可以让物体隐形。

更有意思的是,超材料不光能对可见光进行重新导向。根据制作方式和材料的不同,超材料还能散射微波、无线电波、和不太为人所知的T射线。实际上,任何一种电磁频谱都能被超材料所控制。

比如说,如果用超材料制作一部新型的T射线扫描仪,它的性能可随时改变,无论是被用在医疗还是安全领域。

Stanene——导电率100%的材料

这6种超级材料有能力改变整个世界

和石墨烯一样,Stanene也是一种由单原子层所制作的材料。但由于使用了锡原子而非碳原子,这使其具备了石墨烯所无法实现的特性:100%的导电率。

Stanene2013年由斯坦福大学张首晟教授首次进行了理论化。预测Stanene这类材料的电子属性是张教授的实验室所擅长的领域之一,根据他们的模型,Stanene是一种拓扑绝缘体,也就是说,它的边缘是导体,而内部是绝缘体。这样一来,Stanene就能在室温下以零阻力导电。

Stanene的属性尚未经过实验测试——毕竟制作单层锡原子并不是件易事——但张教授对于其他一些拓扑绝缘体的多项预测都被证明是正确的。

如果对于Stanene的预测也被证实,那它有可能对所有电子设备内部的微芯片产生革命性影响。也就是说,芯片的性能将会被大大增强。由于电子所产生的热量,硅芯片的性能是有所限制的——如果运转速度过快,发热也会过高——而拥有100%导电率的Stanene却不会有这样的问题。

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