改变未来制造业的九种材料

引言：研究人员正在致力于开发先进的泡沫、涂料、金属和其他物质使我们的房屋，汽车和电子产品更节能和环保。

　　制造业的未来取决于一系列技术突破，如机器人，传感器和高性能计算，等等。但是材料制造商使用什么性能的材料和如何来制备这些设备将具有非常的影响。新材料改变生产过程和最终使用结果。

　　《科学美国人》特别报道“如何制造下一个大突破”中，展示了几个正在研发的新材料帮助发明家和工程师开发下一代技术。这些成分包括超绝缘气凝胶宇航服、建筑工程中的高韧性混凝土布料和可代替有毒塑料的复杂天然高分子材料。

　　然而，先进材料的阵容只触及表面。例如，汽车制造商正在开发多孔聚合物和强度高、比钢轻的新型钢合金，使车辆更安全、更节能。环保企业家开发菌基包装材料作为可降解泡沫塑料的替代品。

　　下面的幻灯片介绍一些材料，是制造商终有一天会用于来制造我们使用东西。

　　仿生学塑料：
 

　　在家蝇和蚱蜢坚硬的外骨骼中发现了一种自然昆虫表皮，它有足够轻的重量保证飞行，足够薄以保障弹性和足够的强度以保护它的身躯。这种表皮能够在不增加重量或体积的情况下给躯体提供保护。哈佛大学生物工程研究所工程研究员发现了一种称之为Shrilk 的新材料以复制昆虫表皮的强度、耐用性和多功能性。Shrilk,之所以这样命名是因为这种材料包含了从废弃的虾壳（shrimp shells）和蚕丝（silk）蛋白的蛋白质中提取出的壳质，能够用来制备可以迅速降解的垃圾袋，包装袋和尿布。

　　作为一种异常坚硬，具有生物相容性的材料，它也能够被用于需要承受高载荷的伤口缝合，比如在疝修补或者用作组织再生的支架。

　　超薄铂：
 

　　将来，氢燃料电池汽车可作为清洁的交通工具，但他们仍然昂贵的部分原因是他们使用贵金属铂，促进电池内的化学反应，产生电能。快速而低成本的一种新方法沉积超薄层铂，可减少燃料电池中使用的金属催化剂，从而大大降低成本。当前应用石墨烯铂的主要方法--原子层沉积，低效而复杂。根据美国国家标准与技术研究院准则，新方法则廉价且容易实现。从本质上讲，铂在溶液中溶解，是通过交替正负电压在单原子层中沉积。通过重复可快速且轻松地构建任意原子层厚度。上图是铂超薄薄膜层在金上沉积5秒钟后的扫描电镜显微镜图。深色区域是未覆盖铂的金衬底。

　　更便宜和更轻的碳纤维：
 

　　未来的汽车需要高强度，重量轻的碳纤维复合材料结构来提高汽车效率和运行里程，但是低成本也是取得市场成功的充分条件。一个由国家实验室，和在橡树岭国家实验室的碳纤维技术中心工作的产业界和学术界工作人员共同组成的团队正在致力于克服降低碳纤维成本的挑战。美国能源局拨给了橡树岭国家实验室3500万美元的经费来建立和运行这个碳纤维技术中心。这其中包括了一个年产能25吨新碳纤维材料的小规模试验场。上图是用于制备碳纤维的聚合树脂。

　　大型磁铁：
 

　　稀土材料因为具备非常好的磁特性，对于制备风力涡轮机，电动汽车和混合动力汽车以及家用电子器件至关重要。但是同时他们也具有价格敖贵和来源单一（只有中国有）的特点。然而，根据美国电子能源公司的消息，电动机使用磁铁将电能转换成机械能，一个很小尺寸的烧结的稀土磁体便能够产生非常强大的磁场，这使制造商能够制备更小和更轻的汽车成为可能。这家公司已经与美国特拉华大学研究人员合作以寻找一种能够将稀土磁铁的电阻率提高至少30%的制备工艺。他们的目标是利用电阻率增加的磁铁即使在汽车高速运转时也能降低发动机的效率损失。上图便是块状的镀镍的钕磁铁，是世界上使用最广泛的一种稀土磁铁之一。

纳米晶体设计师：
 

　　三位芝加哥大学的化学家已经发现了一个新方法装配他们称之为“原子设计师”的新型材料，它有巨大的潜能和能广泛地应用。这些设计原子为纳米晶体--微小晶体阵列足够小以致新的量子现象开始出现，但尺寸也足以实现新功能材料和性能，这可用于收集太阳能和实现量子计算。图中化学系副教授格雷格·恩格尔，在调用于解剖纳米晶体之间耦合的飞秒激光系统。

　　坚硬固体涂料：
 

　　来自橡树岭和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工程师，科罗拉多矿业学院的和其他地方的工程师已经设计出一种用于工业钻头，钻孔和刀具的耐极端情况，铁基的玻璃合金涂层，从而增强这些装置在高载荷情况下的断裂强度。纳米盾涂料--纳米尺寸非常坚硬价格并不敖贵的激光沉积涂料的简称，它需要用激光融化刀具和其它隧道钻孔工具表面的合金粉末。这种涂层远比传统的像碳化钨钴材料便宜，而且它们的运行寿命更长，进而提高了隧道钻头打孔的效率。

　　废物转化为能源热电技术：
 

　　西北大学和密歇根州立大学的科学家们展示了一种热电材料能高效转化废热为电能。这是好消息如果你考虑到将近三分之二的能源输入丢失作为废热。现有热电材料的低效率限制了他们的商业用途。创纪录性、环保稳定的方法预计将15 - 20%的废热转化成有用的电能，让更大的工业采用热电技术。废热回收系统可以连接，例如，车辆排放或从玻璃制砖工厂，炼油厂，化石燃料发电厂以及大型运输和油轮处理的排放。

　　导电油墨：
 

　　量子-电子法可制作奇特但有用的内部绝缘、表面导电的半导体。材料大部分区域作为绝缘体，阻碍电子运动，然而表面是非常好、像金属的导体，能让电子以近光速自由运动，不受通常材料中阻碍电子运动的杂质的影响。不含金属的导电油墨在印刷电子材料发挥重要作用，应用于显示屏、传感器和电池。例如，伊利诺斯州大学的研究人员创造了一个银基电动油墨在蒸发时留下导电材料痕迹。新配方比传统的电子墨水更易使用，与许多材料粘附性好，在较低温度下使用一个简单的桌面设备就可打印。

　　真菌泡沫：

　　从最初构想得到一种廉价的、绿色的以及泡沫聚苯乙烯的高效替代品，

　　Ecovative设计公司通过农作物废料、植物的茎及大米和小麦壳以及紧连在一起的木须（菌丝）来制备蘑菇包装材料。公司目前正利用这些蘑菇材料来生产能够用于生物降解的替代者，使之能够降解汽车保险杠，门，屋顶，引擎室，行李箱衬垫，仪表盘和座位里面使用的以石油为原料的塑料泡沫。另外一个潜在的应用包括桌面，冲浪板和衣服的降解。