科學(xué)家們?cè)诓粩喟l(fā)明具有高度特殊性的先進(jìn)材料，其性能優(yōu)于現(xiàn)有材料，并使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更具創(chuàng)新性。

生產(chǎn)制造企業(yè)更傾向于使用可靠的材料來生產(chǎn)產(chǎn)品——這些材料已經(jīng)過驗(yàn)證，其化學(xué)和機(jī)械性能也經(jīng)過了充分的研究。然而，產(chǎn)品性能和功能往往可以通過新材料得到改善，這些新材料一旦經(jīng)過測(cè)試和批準(zhǔn)，就可以提供非常特定的工程特性，從而增強(qiáng)產(chǎn)品性能，并創(chuàng)造出以前沒有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)選項(xiàng)。以下是一些可能在不久的將來改變制造業(yè)的創(chuàng)新材料。

1. 氟化鈦磷酸鹽

莫斯科Skoltech能源科技中心的研究人員創(chuàng)造了一種新型正極材料——氟化鈦磷酸鹽材料。其強(qiáng)大的電化學(xué)電位和在高充放電電流下的穩(wěn)定性優(yōu)于價(jià)格昂貴且供應(yīng)不足的鋰、鈷等標(biāo)準(zhǔn)正極材料。

2. 纖維素納米纖維

纖維截面的SEM圖像，顯示了排列的納米纖維。圖片提供：KTH

瑞典皇家理工學(xué)院利用木材中的纖維素納米纖維開發(fā)出了一種超高強(qiáng)度、可生物降解的材料。該材料獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)提供了86吉帕的抗拉剛度和1.57吉帕的抗拉強(qiáng)度——比蜘蛛絲硬8倍，被認(rèn)為是最強(qiáng)的生物材料，按同樣單位重量計(jì)算，其強(qiáng)度比鋼還要大。這種輕質(zhì)材料可以作為塑料的環(huán)保替代品。

3. 自愈凝膠

是一種由氨基丙基甲基丙烯酰胺(APMA)聚合物、葡萄糖、葡萄糖氧化酶和葉綠體制成的凝膠材料，不斷地與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，膨脹并隨時(shí)間變得更強(qiáng)。它是第一個(gè)存在于生物體之外的固碳材料。麻省理工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)教授、首席研究員Michael Strano表示：“制造一種能夠獲取我們周圍豐富碳元素的材料，是材料科學(xué)的一個(gè)重大機(jī)遇。”

4. 鉑金合金

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員創(chuàng)造了一種金鉑合金，其耐磨性是高強(qiáng)度鋼的100倍，即使在高溫下也是如此。材料優(yōu)異的熱穩(wěn)定性是通過改變晶界能來實(shí)現(xiàn)的。在應(yīng)力作用下，合金會(huì)產(chǎn)生自己的類金剛石碳，可以起到潤(rùn)滑劑的作用。

5. 復(fù)合金屬泡沫

復(fù)合金屬泡沫(CMF)由中空的金屬球組成，金屬球由鋼或鈦材料制成，并嵌入金屬基質(zhì)中，金屬基質(zhì)通常由鋼或鋁制成。測(cè)試表明，所謂的“鋼-鋼”CMF，因?yàn)榍蝮w和基體都是由鋼制成的，所以比實(shí)心鋼板耐火得多。此外，鋼-鋼CMF面板的重量?jī)H為實(shí)心鋼板的三分之一。因此，在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中保護(hù)熱敏材料（如爆炸物）方面，CMFs被認(rèn)為是的一種很有前途的材料。

6.蜘蛛絲

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員Michael Chandross（左）和Nic Argibay展示了用于預(yù)測(cè)其鉑金合金前所未有的耐磨性的計(jì)算機(jī)模擬，以及用于演示的環(huán)境摩擦計(jì)。圖片提供：蘭迪蒙托亞，SNL

蜘蛛絲已是公認(rèn)的世界上最堅(jiān)固的材料之一。現(xiàn)在科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)獨(dú)特的力學(xué)特征：空氣中的濕度達(dá)到一定程度后，蜘蛛絲纖維會(huì)突然收縮扭曲。這個(gè)過程——被稱為超收縮——施加足夠的扭轉(zhuǎn)力，從而可能與其他材料競(jìng)爭(zhēng)用作致動(dòng)器或其他類型的控制裝置。

7.蝦殼絲

受昆蟲外骨骼的啟發(fā)，哈佛大學(xué)韋斯生物啟發(fā)工程研究所的研究人員發(fā)明了蝦殼絲（shrilk）材料，一種可生物降解的“塑料”，由殼聚糖（蝦殼中的一種成分）和一種名為絲素蛋白的絲蛋白組成。蝦殼絲像鋁一樣結(jié)實(shí)，重量卻比鋁輕50%。它的生物相容性、柔韌性和強(qiáng)度使其成為植入性醫(yī)療設(shè)備和組織工程的上佳材料。

8.碳素混凝土

研究人員正在研究如何用碳纖維加固混凝土，以增強(qiáng)強(qiáng)度和耐久性。碳的一大優(yōu)點(diǎn)是不可氧化。與鋼骨混凝土?xí)P并降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同，這一方法不需要厚混凝土層來保護(hù)碳。在混凝土中加入碳，其承載能力比傳統(tǒng)的鋼骨混凝土提高了五到六倍，重量也比傳統(tǒng)的鋼骨混凝土輕四倍，使用壽命也明顯延長(zhǎng)。

9.氣凝膠

這種合成多孔超輕材料99.8%都是空的。超臨界干燥液體凝膠的最終產(chǎn)物，如氧化鋁，氧化鉻，氧化錫或碳，這種材料的強(qiáng)度足以承受其自身重量的20000倍。氣凝膠是開孔的（氣凝膠中的氣體不會(huì)被困在固體口袋中），并且孔隙的直徑范圍小于1-100納米。極低的導(dǎo)熱系數(shù)也使其成為一種高效的保溫材料。

未來材料

蝦殼絲（Shrilk）是由殼聚糖和絲素蛋白衍生而來的，殼聚糖存在于蝦殼中，絲素蛋白也稱為絲蛋白，其模仿昆蟲外骨骼的微結(jié)構(gòu)，可迅速生物降解為富含氮的肥料。圖片提供：哈佛大學(xué)韋斯生物啟發(fā)工程研究所

科學(xué)家們繼續(xù)致力于制造出比傳統(tǒng)材料更堅(jiān)固、更輕、功能更多更好的材料。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，新材料和材料組合似乎層出不窮。目前的研發(fā)包括研究具有獨(dú)特性質(zhì)的稀土元素。例如，釹磁鐵可以儲(chǔ)存大量的、超乎想象的磁能，使其成為風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的理想材料。另一種稀土元素，鈰，當(dāng)其與鋁結(jié)合時(shí)，其化合物的耐高溫性能提升了。與大多數(shù)鋁合金相比，鈰鋁合金具有更好的腐蝕性能。

隨著工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)和納米技術(shù)占據(jù)中心地位，工程師、科學(xué)家和其他研究人員將繼續(xù)挑戰(zhàn)材料科學(xué)的極限。材料研究領(lǐng)域的進(jìn)步不僅會(huì)改善我們能夠制造的產(chǎn)品類型，還會(huì)為我們帶來更多機(jī)會(huì)，以創(chuàng)造一個(gè)更健康、更可持續(xù)發(fā)展的世界的機(jī)會(huì)。
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