超級材料有能力改變整個世界嗎？

Stanene導(dǎo)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(lán)寶石。沒

錯，這種硬度超高的材料因?yàn)樘O果的青睞而備受關(guān)注。但除了藍(lán)寶石之外，科

學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行介紹。

自我修復(fù)材料——仿生塑料  

人體具備非常強(qiáng)大的自我修復(fù)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(xué)的 Scott White 研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)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(dāng)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(fù)微小裂痕的材料，這種仿

生塑料可以修復(fù)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(shè)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(dāng)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(fèi)的能量呢？去年，一家名為 Alphabet Energy 的公司

開發(fā)出了一種熱點(diǎn)發(fā)電機(jī)，它可被直接插入普通發(fā)電機(jī)的排氣管，從而把廢熱

轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機(jī)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(dá)到 5-10%的能效。在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，科學(xué)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(yīng)用——比如在太空飛船上——但方鈷

礦具備廉價和能效高的特點(diǎn)，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機(jī)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?？沙司w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(xué)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(diǎn)

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(xué)家認(rèn)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(dāng)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(dāng)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(shí)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(tuán)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(qiáng)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(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)其柔韌

性，再加上本身的輕巧、強(qiáng)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(dāng)中應(yīng)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(jìn)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(jìn)行重新導(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)的特性：100%的導(dǎo)電

率。

Stanene 在 2013 年由斯坦福大學(xué)張首晟教授進(jìn)行了理論化。預(yù)測

Stanene 這類材料的電子屬性是張教授的實(shí)驗(yàn)室所擅長的領(lǐng)域之一，根據(jù)他們

的模型，Stanene 是一種拓?fù)浣^緣體，也就是說，它的邊緣是導(dǎo)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(dǎo)電。

Stanene 的屬性尚未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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?fù)浣^緣體的多項(xiàng)預(yù)測都被證明是正確的。

如果對于 Stanene 的預(yù)測也被證實(shí)，那它有可能對所有電子設(shè)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(qiáng)。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(yùn)轉(zhuǎn)速度過快，發(fā)熱也會過高

——而擁有 100%導(dǎo)電率的 Stanene 卻不會有這樣的問題。

（文章來源：Gizmodo） 

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