超級材料有能力改變整個世界嗎？

Stanene導電率100%,！

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(guān)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 Scott White 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(gòu)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(jié)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zui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 Alphabet Energy 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zui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(guān)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(jié)構(gòu)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,、*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*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,，氣凝膠還是一種的絕緣體。它的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lǐng)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(lǐng)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。

（文章來源：Gizmodo） 

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