材料是一切物体的基本构成元素，许多突破性的技术创新都来自于材料科学。tomorrow杂志带你一起探究几种关键材料的未来应用。
石墨烯：一种神奇的材料？
硅一直是手机芯片、处理器等电子元件的主要材料，但随着石墨烯的出现，这一情况或将发生改变。石墨烯比钢硬，比硅轻，但是导电性和导热性与硅差不多。然而，石墨烯从哪里获取？
石墨烯与常见的石墨一样，都是由碳原子组成的物质，铅笔芯就是由石墨做成的。与石墨不同，石墨烯为平面六边形结构，在显微镜下就像一个蜂巢。
舍弗勒集团研究、创新及中央技术部高级副总裁Tim Hosenfeldt博士认为石墨烯在很多领域拥有巨大的应用潜力：“石墨烯在电学、光学、热学和机械等方面的优异性能为其推开了许多应用的大门。作为一种透明、柔韧的导体，石墨烯可用于太阳能电池板、储能系统、能源转换器、柔性显示器和触摸屏以及LED灯等应用领域。此外，石墨烯还能够显著提高电磁信号的频率，从而大大提升晶体管的开关速度。采用石墨烯制作而成的传感器也引起了人们的极大兴趣，此类传感器具有极高的灵敏度，可以探测到有害物质的单个分子。比如，氧化石墨烯可以清除空气中的放射性污染物质。”
0.00000003厘米
这是单层石墨烯的厚度，也就是一层碳原子的厚度。
石墨烯的潜在应用广泛，在技术上也非常复杂。Hosenfeldt博士认为，石墨烯在未来电池存储系统中的应用潜力巨大，因为石墨烯电池充电时间很快（比传统锂离子电池快60倍）。他还认为，石墨烯在超导体、高强度结构材料或能源生产和储存方面也具有广阔前景。此外，石墨烯还能降低制氢成本，因为石墨烯在质子传输方面效率特别高，可以取代昂贵的质子交换膜。
目前，石墨烯生产工艺复杂且成本高昂，这也是其普及应用的最大障碍。不过，这一问题似乎有了解决方案。汽车制造商广汽集团开发的3DG（三维石墨烯）生产技术可以将原本每克数百欧元的生产成本降低90%。
“理论上说，采用石墨烯及相关材料制造的部件重量更轻、尺寸更紧凑，也更坚固耐用，可用于汽车以及能源存储和转换系统领域，挑战在于如何降低制造成本。”
—— Tim Hosenfeldt博士
舍弗勒集团研究、创新及中央技术部高级副总裁
裂缝如何自我修复？
材料自动愈合曾是科幻影片中的画面，如今已成为现实。自愈合材料采用了独特的工艺，在被割破，出现裂缝或裂纹时可以自我修复。这些材料含有活的生物细胞，使其具有一些常见特性，就像人的皮肤一样。从根本上说，这类活体材料由两部分组成：一是生物体，如酵母或细菌，使活体材料具有某种特性；二是载体材料。
这些生物材料具有独特的新陈代谢特性，可以产生不同的物质，包括从无机盐、金属氧化物和双聚合物到医疗药物中的高效活性成分。这种特性可使活体材料具有非活体材料不具备的功能——除了材料受损后的自我再生功能外，还包括对环境刺激做出反应或拥有超长寿命。
长期以来，建筑材料行业一直在研究自修复材料，并取得了积极进展。有一种生物混凝土可以实现自我修复，它含有一种孢杆菌的微生物，在石灰中能以孢子形式存活几十年甚至上百年。当混凝土出现裂缝时，进入裂缝的水会唤醒孢子并产生碳酸钙（也就是石灰）来填补裂缝。这样可以延长混凝土的使用寿命，建筑物也就无需拆毁，不仅节约了材料和能源，还减少了温室气体的排放。
67.5 亿美元
到 2030 年，全球自愈合材料的市场规模将达到 67.5 亿美元，2023-2030 年间的年增长率约为 25%。
剑桥大学也在研究混凝土的自愈能力。研究人员用三维打印技术制作了一个混凝土支撑结构。与铸造件相比，它不仅体积小，节省了材料用量，还配备了传感器，可以在数十年内监控建筑结构，并启动自动修复功能。这种自修复功能也用于油漆，起初用于汽车油漆修复。不过，自修复油漆虽然在修复洗车等造成的微小划痕方面游刃有余，但是在应对肉眼可见的油漆划痕方面的效果却差强人意，常常造成凹凸不平的漆面。
自愈合材料在医疗设备行业尤其有其用武之地，例如用于监测疾病的植入体或可穿戴设备，或用于环境监测的低成本传感器。此外，采用自愈合材料的软体机器人执行器也已经开始进入市场。在这种应用中，材料在受到光线、外部脉冲、湿气或特定物质影响时，其形状或体积会发生变化。还有一种有意思的应用是可修复涂层。舍弗勒Corrotect涂层是一种用于滚动轴承和精密部件的防腐蚀保护涂层，它采用了超薄氧化硅纳米颗粒层，在受到损害时，这些颗粒可以通过与氧气接触实现自我修复。
莱布尼茨新材料研究所的Aránzazu del Campo教授希望通过研究为材料注入新的活力，但同时也指出了一些问题，特别是在回收利用方面。她说：“重要的是，要明确如何确保生物材料的使用不会对环境带来任何风险，即生物防护，也就是实验室生物安全与防护。早在材料开发阶段就应当考虑到所含细胞在某些条件下无法存活的可能性。”尽管仿生学取得了长足进步，但并非一切问题都有了答案。
人工智能加速材料研究
一款新材料从测试到批量生产，往往需要十多年时间。谷歌旗下人工智能公司 Deepmind 通过人工智能技术发现了200多万种新型晶体材料结构，有望加快材料研发进程。据科技门户网站The Next Web报道，这是迄今为止科学史上发现的所有材料种类的45 倍，Deepmind通过人工智能仅用了一年的时间，其中近40万种材料甚至很快就能通过实验合成。
轻如陶瓷，坚比钢铁
陶瓷是人类历史上最早的人造材料。研究结果表明，早在两万五千年前，人们就开始使用陶瓷这种无机非金属材料，用来制作石器、陶器和瓷器等。但陶瓷不仅用于生活或博物馆展示中，还越来越多地用于高科技领域，成为钢的替代品。比如，驱动技术专家舍弗勒用陶瓷代替钢生产高精度滚动轴承的滚珠，此类轴承用于风电、航空航天等前瞻性行业，以及几乎所有不同类型的电气化应用中。
此类陶瓷的特点是硬度高、质量轻、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨且与钢之间的摩擦系数低，在绝缘和介电强度方面具有优异的性能。这些特性使陶瓷越来越多地受到风电、太阳能、燃料电池、化学工业、电气工程、高温工程、航空航天、机械工程、微系统工程以及医疗设备等行业的青睐。
陶瓷呈现的特性与制造工艺密不可分，包括粉末制备、成型和烧制。由于烧制工艺、烧制条件以及晶粒大小和烧制温度的不同，同一种物质混合物可以呈现出多种不同的特性。
长3米，直径达30厘米
这是金属加工业中陶瓷加热管可以达到的尺寸，是目前市场上最大的陶瓷部件。全世界只有40家左右的公司能够生产如此大尺寸的陶瓷加热管。
随着对陶瓷领域微观结构特性认识的不断深入，新型材料不断涌现。除纤维复合材料外，基于陶瓷-金属-聚合物组成的混合复合材料也变得越来越重要。舍弗勒智能装备公司推出了一种新型的多材料3D打印系统，可以生产由金属和陶瓷材料组合的3D打印零部件。舍弗勒智能制造公司高级副总裁Bernd Wollenick说道：“该解决方案可以帮助客户实现创新的材料组合和新功能集成，提高了产品和工具设计的灵活性。”
研究表明，陶瓷在降低固态电池重量，提升电池安全性和能量密度方面可以发挥重要作用，从而给电动汽车的发展带来积极影响。在固态电池中，薄薄的陶瓷涂层同时起到固态电解质和隔膜的作用。不过，陶瓷部件生产中的烧结工艺要求温度超过1,000 °C。这不仅会带来工艺上的问题，还增加了能耗和成本。麻省理工学院和慕尼黑工业大学的研究人员开发的一种新工艺对温度的要求只有500 °C，有望推动续航里程超过1000 公里的陶瓷固态电池加快进入市场。
二氧化碳“变身”环保塑料
二氧化碳浓度增加是气候变化的主要原因之一，减少二氧化碳排放是未来环境保护的首要任务。弗劳恩霍夫的研究人员提出了减少碳排放的一种可能途径：他们将二氧化碳用作基础材料来生产塑料。弗劳恩霍夫研究所微生物催化高级科学家 Jonathan Fabarius 博士说道："在将二氧化碳用作原材料生产塑料方面，我们正在探寻两种方法：一种是异相化学催化，通过催化剂将CO₂转化为甲醇；另一种是电化学法，利用CO₂生产甲酸。”
第二种方法的特别之处在于与生物技术的结合，更确切地说，是与微生物发酵工艺的结合。研究人员利用甲醇和甲酸作为微生物的食物，而微生物则利用甲醇和甲酸进一步生成物质，比如有机酸。这种有机酸可用来合成聚合物——以CO₂为原料生产的塑料可采用这种方式。氨基酸也可以通过这种方式生产，例如用作食品补充剂或动物饲料。
最快的半导体
在目前的硅半导体中，电子在移动中的路径非常分散，从而产生无用的热量，最终只会减慢计算机芯片的运行速度。美国哥伦比亚大学的研究人员提出了一种超原子材料Re6Se8Cl2，能够使粒子移动速度比硅材料中的电子快100到1000倍。科学家得出结论，在千兆赫处理器应用中，使用这种材料可以实现数百兆赫或一太赫兹的晶体管开关速度。但不利因素是，这种材料所需的铼是地壳中最稀有的元素之一，而硅是第二常见的元素。
作者：Björn Carstens
摘自：舍弗勒集团技术期刊tomorrow
