科學家們在實驗室中研發(fā)出了不少意義重大的超級材料，下面來看看這6種材料有何特別之處。
說起業(yè)界所謂的“超級材料”，相信不少人首先想到的會是藍寶石。沒錯，這種硬度超高的材料因為蘋果的青睞而備受關注。但除了藍寶石之外，科學家們已經(jīng)在實驗室中研發(fā)出了不少意義重大的超級材料，本文就將對其中的6種進行介紹。
自我修復材料—仿生塑料
人體具備非常強大的自我修復能力，但建筑環(huán)境卻并不具備這種能力。去年，伊利諾伊大學的ScottWhite研發(fā)出了一種具備自我修復能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構成的“血管系統(tǒng)”，當出現(xiàn)破損時，液體就可像血液一樣滲出并結塊。相比其他那些只能修復微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復最大4毫米寬的裂縫。
熱電材料—熱量清道夫
對于任何一部會使用能源的設備來說，廢熱的產(chǎn)生都是不可避免的。根據(jù)估算，人類所使用的所有能源當中有2/3都以廢熱的形式流失了?？梢怯修k法能夠捕捉到這些被浪費的能量呢？
去年，一家名為AlphabetEnergy的公司開發(fā)出了一種熱點發(fā)電機，它可被直接插入普通發(fā)電機的排氣管，從而把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據(jù)稱可達到5-10%的能效。
在實驗室當中，科學家們已經(jīng)在研究另一種具備可發(fā)展前景，甚至能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，一種含鈷的礦物。熱電材料目前已經(jīng)開始了小規(guī)模的應用—比如在太空飛船上—但方鈷礦具備廉價和能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管。
鈣鈦礦—廉價太陽能電池
成本是可再生能源發(fā)展中的最大障礙。太陽能正在變得更加便宜，但使用晶體硅制作太陽能電池的成本和能源消耗依然非常高。可除了晶體硅之外，還有一種可用來制作太陽能電池的替代材料，那就是鈣鈦礦。
鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)距今已經(jīng)有超過100年的時間了，但科學家直到現(xiàn)在才開始意識到這種材料的潛力。在2009年，使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備著3.8%的太陽能轉(zhuǎn)化率。到了2014年，這一數(shù)字已經(jīng)提升到了19.3%。相比傳統(tǒng)晶體硅電池超過20%的能效，這或許算不了什么，但這里還有其他兩個關鍵點需要考慮：首先，鈣鈦礦的能效僅在幾年的時間里就得到了大幅的提升，且科學家認為，這種材料未來依然有提升的可能；其二，鈣鈦礦的成本要低得多。
鈣鈦礦是由特定晶體結構所定義的一種材料類別，它們可以包含任意數(shù)量的元素，用在太陽能電池當中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，無需在清潔的房間當中精心組裝。
氣凝膠—超輕、超強韌
氣凝膠看上去似乎是一種不真實的材料。盡管看上去空虛飄渺，但它卻能輕松承受一盞噴燈的熱量，或是一輛汽車的重量。如名所示，這是一種液體被空氣完全替換的膠體，這也就是為什么它看上去就像是一團煙。氣凝膠可由任意數(shù)量的物質(zhì)所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯。由于空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結構也賦予其超高的強韌性。
不過氣凝膠也有一個致命的缺陷：脆性，特別是原材料為二氧化硅時。但NASA的科學家已經(jīng)在實驗一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料。將其他化合物加入到二氧化硅氣凝膠可增強其柔韌性，再加上本身的輕巧、強韌和絕緣性，這將會使其成為一種不可思議的材料。
超材料—光操縱器
如果你聽說過超材料(metamaterial)，那介紹它的材料當中應該還提到了“哈利波特”和“隱形斗篷”。是的，超材料的納米結構能夠以特定的方式對光線進行散射，在未來，它或許真的可以讓物體隱形。
更有意思的是，超材料不光能對可見光進行重新導向。根據(jù)制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無線電波、和不太為人所知的T射線。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。
比如說，如果用超材料制作一部新型的T射線掃描儀，它的性能可隨時改變，無論是被用在醫(yī)療還是安全領域。
Stanene—導電率100%的材料
和石墨烯一樣，Stanene也是一種由單原子層所制作的材料。但由于使用了錫原子而非碳原子，這使其具備了石墨烯所無法實現(xiàn)的特性：100%的導電率。
Stanene在2013年由斯坦福大學張首晟教授首次進行了理論化。預測Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實驗室所擅長的領域之一，根據(jù)他們的模型，Stanene是一種拓撲絕緣體，也就是說，它的邊緣是導體，而內(nèi)部是絕緣體。這樣一來，Stanene就能在室溫下以零阻力導電。
Stanene的屬性尚未經(jīng)過實驗測試—畢竟制作單層錫原子并不是件易事—但張教授對于其他一些拓撲絕緣體的多項預測都被證明是正確的。
如果對于Stanene的預測也被證實，那它有可能對所有電子設備內(nèi)部的微芯片產(chǎn)生革命性影響。也就是說，芯片的性能將會被大大增強。由于電子所產(chǎn)生的熱量，硅芯片的性能是有所限制的—如果運轉(zhuǎn)速度過快，發(fā)熱也會過高—而擁有100%導電率的Stanene卻不會有這樣的問題。
