九種新材料改變未來制造業 |
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研究人員正在致力于開發先(xian)進的(de)(de)泡沫、涂料、金(jin)屬和(he)其他(ta)物質使(shi)我們的(de)(de)房屋,汽(qi)車(che)和(he)電子產品更節(jie)能(neng)和(he)環(huan)保。制造(zao)業的(de)(de)未(wei)來(lai)取決于一系列技(ji)術突破，如機器(qi)人,傳感(gan)器(qi)和(he)高性(xing)(xing)能(neng)計算(suan),等等。但是材(cai)(cai)料制造(zao)商(shang)使(shi)用什么性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)材(cai)(cai)料和(he)如何來(lai)制備這些設備將具有非常的(de)(de)影響。新材(cai)(cai)料改變生產過程和(he)最終使(shi)用結果。 《科學美國人》曾(ceng)在(zai)特別報道“如何制造下一個大(da)突破”中，展(zhan)示了幾個正在(zai)研(yan)發(fa)的新(xin)材(cai)料幫助發(fa)明家和工(gong)程(cheng)師開發(fa)下一代技術(shu)。這些成分包括超絕緣氣凝膠宇(yu)航(hang)服、建筑(zhu)工(gong)程(cheng)中的高韌性混凝土布(bu)料和可(ke)代替有(you)毒塑料的復(fu)雜天然高分子材(cai)料。 超薄鉑 將來，氫燃(ran)料電(dian)(dian)(dian)池(chi)汽(qi)車可作(zuo)為清潔的(de)交通工具(ju),但(dan)他們仍然(ran)昂貴的(de)部(bu)分原因是(shi)他們使(shi)(shi)用貴金屬(shu)鉑,促(cu)進電(dian)(dian)(dian)池(chi)內的(de)化學反應(ying),產生電(dian)(dian)(dian)能。快速(su)而(er)低成本(ben)(ben)的(de)一種新方(fang)(fang)法沉(chen)(chen)積超薄層(ceng)鉑，可減少燃(ran)料電(dian)(dian)(dian)池(chi)中(zhong)(zhong)使(shi)(shi)用的(de)金屬(shu)催化劑,從而(er)大大降低成本(ben)(ben)。當前應(ying)用石墨烯鉑的(de)主要方(fang)(fang)法——原子層(ceng)沉(chen)(chen)積，低效(xiao)而(er)復雜。根(gen)據美國國家(jia)標準與技術研究(jiu)院準則，新方(fang)(fang)法則廉價且容易實現(xian)。從本(ben)(ben)質上講,鉑在溶液中(zhong)(zhong)溶解(jie)，是(shi)通過交替正(zheng)負電(dian)(dian)(dian)壓在單原子層(ceng)中(zhong)(zhong)沉(chen)(chen)積。通過重復可快速(su)且輕松地構建任意原子層(ceng)厚度。 大型磁鐵 稀(xi)(xi)土材(cai)料因為(wei)具備非常好的(de)(de)(de)(de)磁(ci)特(te)性，對于制(zhi)備風力(li)渦輪機(ji)(ji)，電(dian)(dian)動汽(qi)車和混合動力(li)汽(qi)車以及家用(yong)電(dian)(dian)子器(qi)件(jian)至(zhi)關重要。但是同時他們(men)也(ye)具有(you)價格敖貴和來(lai)源單一(yi)(只有(you)中(zhong)國(guo)有(you))的(de)(de)(de)(de)特(te)點(dian)。然而(er)，根據美國(guo)電(dian)(dian)子能(neng)(neng)源公司的(de)(de)(de)(de)消(xiao)息(xi)，電(dian)(dian)動機(ji)(ji)使(shi)用(yong)磁(ci)鐵(tie)(tie)將(jiang)電(dian)(dian)能(neng)(neng)轉(zhuan)換成(cheng)機(ji)(ji)械能(neng)(neng)，一(yi)個很(hen)小(xiao)尺(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)(de)燒結的(de)(de)(de)(de)稀(xi)(xi)土磁(ci)體便能(neng)(neng)夠(gou)產(chan)生(sheng)非常強大(da)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)場，這使(shi)制(zhi)造商能(neng)(neng)夠(gou)制(zhi)備更小(xiao)和更輕的(de)(de)(de)(de)汽(qi)車成(cheng)為(wei)可能(neng)(neng)。這家公司已經與美國(guo)特(te)拉華大(da)學(xue)研究人員合作以尋找一(yi)種(zhong)能(neng)(neng)夠(gou)將(jiang)稀(xi)(xi)土磁(ci)鐵(tie)(tie)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)阻率提高至(zhi)少30%的(de)(de)(de)(de)制(zhi)備工藝。他們(men)的(de)(de)(de)(de)目標(biao)是利用(yong)電(dian)(dian)阻率增(zeng)加的(de)(de)(de)(de)磁(ci)鐵(tie)(tie)即使(shi)在汽(qi)車高速運轉(zhuan)時也(ye)能(neng)(neng)降低發(fa)動機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)效率損(sun)失。上圖便是塊狀(zhuang)的(de)(de)(de)(de)鍍鎳的(de)(de)(de)(de)釹磁(ci)鐵(tie)(tie)，是世界(jie)上使(shi)用(yong)最廣泛的(de)(de)(de)(de)一(yi)種(zhong)稀(xi)(xi)土磁(ci)鐵(tie)(tie)之(zhi)一(yi)。 仿生學塑料 在家蠅和蚱(zha)蜢堅(jian)硬的(de)(de)(de)外(wai)骨骼中發現了一種自然昆蟲表(biao)皮，它有足(zu)夠輕的(de)(de)(de)重量(liang)保證飛行，足(zu)夠薄以(yi)(yi)(yi)保障彈(dan)性(xing)和足(zu)夠的(de)(de)(de)強度以(yi)(yi)(yi)保護它的(de)(de)(de)身軀。這種表(biao)皮能夠在不(bu)增加重量(liang)或體(ti)積的(de)(de)(de)情況下(xia)給軀體(ti)提(ti)供(gong)保護。哈佛大學生(sheng)物工(gong)程(cheng)研究(jiu)所工(gong)程(cheng)研究(jiu)員發現了一種稱之為Shrilk 的(de)(de)(de)新(xin)材料以(yi)(yi)(yi)復制(zhi)昆蟲表(biao)皮的(de)(de)(de)強度、耐(nai)用性(xing)和多功能性(xing)。Shrilk，之所以(yi)(yi)(yi)這樣命名是因為這種材料包(bao)含(han)了從(cong)廢棄的(de)(de)(de)蝦(xia)殼(ke)(shrimp shells)和蠶(can)絲(silk)蛋白(bai)的(de)(de)(de)蛋白(bai)質(zhi)中提(ti)取出的(de)(de)(de)殼(ke)質(zhi)，能夠用來制(zhi)備可以(yi)(yi)(yi)迅速降(jiang)解的(de)(de)(de)垃圾袋，包(bao)裝袋和尿布。 作為(wei)一種異(yi)常(chang)堅硬(ying)，具有(you)生物相容性的(de)(de)材料，它也(ye)能夠被用(yong)于需(xu)要承受(shou)高(gao)載荷的(de)(de)傷口縫合，比如在疝修(xiu)補(bu)或者(zhe)用(yong)作組織再生的(de)(de)支(zhi)架。 更便宜的或更輕的碳纖維 未來(lai)的(de)汽車需要高強(qiang)度，重量輕的(de)碳(tan)纖(xian)維(wei)復合材料結構來(lai)提高汽車效率(lv)和運(yun)行(xing)里程，但(dan)是低成(cheng)本也(ye)是取得市(shi)場(chang)成(cheng)功的(de)充(chong)分(fen)條件(jian)。一個(ge)由(you)國家(jia)實驗(yan)室，和在橡(xiang)樹(shu)嶺(ling)國家(jia)實驗(yan)室的(de)碳(tan)纖(xian)維(wei)技(ji)術(shu)中(zhong)心(xin)工作的(de)產業界和學術(shu)界工作人員共同組(zu)成(cheng)的(de)團隊正在致力(li)于克服降低碳(tan)纖(xian)維(wei)成(cheng)本的(de)挑(tiao)戰(zhan)。美國能源局撥給了(le)橡(xiang)樹(shu)嶺(ling)國家(jia)實驗(yan)室3500萬(wan)美元的(de)經費來(lai)建立和運(yun)行(xing)這個(ge)碳(tan)纖(xian)維(wei)技(ji)術(shu)中(zhong)心(xin)。這其中(zhong)包括了(le)一個(ge)年(nian)產能25噸新(xin)碳(tan)纖(xian)維(wei)材料的(de)小規模試驗(yan)場(chang)。 納米晶體設計師 三位芝加(jia)哥大學的(de)化學家已(yi)經發(fa)現(xian)(xian)了一個新方法裝配他(ta)們(men)稱之(zhi)為(wei)“原子(zi)設計師”的(de)新型材料(liao)，它(ta)有(you)巨大的(de)潛(qian)能和能廣泛地應用。這些設計原子(zi)為(wei)納米晶體——微(wei)小晶體陣列足夠小以(yi)(yi)致新的(de)量子(zi)現(xian)(xian)象開始出現(xian)(xian),但尺(chi)寸也足以(yi)(yi)實現(xian)(xian)新功(gong)能材料(liao)和性能,這可用于(yu)收集太陽(yang)能和實現(xian)(xian)量子(zi)計算。 堅硬固體涂料 來自橡(xiang)樹嶺和勞(lao)倫(lun)斯利弗莫爾國家實驗室的(de)(de)(de)工程(cheng)師，科羅拉多礦業學(xue)院(yuan)的(de)(de)(de)和其他地(di)方(fang)的(de)(de)(de)工程(cheng)師已經設計出一種(zhong)用(yong)(yong)于工業鉆(zhan)頭,鉆(zhan)孔(kong)和刀具(ju)(ju)的(de)(de)(de)耐極端情(qing)況，鐵基的(de)(de)(de)玻(bo)璃(li)合(he)金涂層，從而(er)增強這些裝置在高載荷情(qing)況下的(de)(de)(de)斷裂強度(du)。納米(mi)盾(dun)涂料(liao)——納米(mi)尺寸非常堅(jian)硬價(jia)格并不敖貴的(de)(de)(de)激光沉積涂料(liao)的(de)(de)(de)簡稱，它需要用(yong)(yong)激光融化刀具(ju)(ju)和其它隧道鉆(zhan)孔(kong)工具(ju)(ju)表面的(de)(de)(de)合(he)金粉末。這種(zhong)涂層遠(yuan)比傳統的(de)(de)(de)像碳化鎢鈷材料(liao)便宜，而(er)且它們的(de)(de)(de)運行(xing)壽命更長，進而(er)提高了隧道鉆(zhan)頭打孔(kong)的(de)(de)(de)效率。 廢物轉化為能源熱電技術 西北大(da)學(xue)和密歇根州立大(da)學(xue)的(de)科學(xue)家們展(zhan)示(shi)了一(yi)種熱(re)電(dian)材(cai)料(liao)能高(gao)效轉化廢熱(re)為電(dian)能。這是好消(xiao)息如果你(ni)考慮到將(jiang)近(jin)三分之二的(de)能源輸(shu)入(ru)丟(diu)失作為廢熱(re)。現有熱(re)電(dian)材(cai)料(liao)的(de)低效率限制(zhi)了他們的(de)商(shang)業用(yong)途。創紀錄性、環(huan)保穩定的(de)方法預計將(jiang)15 - 20%的(de)廢熱(re)轉化成有用(yong)的(de)電(dian)能,讓更大(da)的(de)工(gong)業采用(yong)熱(re)電(dian)技(ji)術。廢熱(re)回收系統可以(yi)(yi)連接,例(li)如,車輛排(pai)放或從玻璃制(zhi)磚工(gong)廠(chang)，煉(lian)油(you)廠(chang),化石燃料(liao)發電(dian)廠(chang)以(yi)(yi)及大(da)型運輸(shu)和油(you)輪(lun)處理的(de)排(pai)放。 導電油墨 量子(zi)-電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)法可(ke)制(zhi)作奇特但有用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)內部絕緣、表面導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)半導(dao)(dao)(dao)(dao)體。材料大部分區域作為絕緣體,阻(zu)礙電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)運動(dong)(dong)，然而表面是非(fei)常好、像金屬(shu)的(de)(de)導(dao)(dao)(dao)(dao)體，能讓電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)以近光速自由運動(dong)(dong),不(bu)(bu)受通常材料中阻(zu)礙電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)運動(dong)(dong)的(de)(de)雜質的(de)(de)影響。不(bu)(bu)含金屬(shu)的(de)(de)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)油墨(mo)在印(yin)刷(shua)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)材料發(fa)揮重要作用(yong)(yong)(yong)，應用(yong)(yong)(yong)于顯示屏(ping)、傳感器和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)池。例如,伊(yi)利諾斯州大學的(de)(de)研究(jiu)人員創(chuang)造了一個銀基電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)油墨(mo)在蒸(zheng)發(fa)時留下(xia)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)材料痕跡。新配(pei)方比傳統的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)墨(mo)水更易(yi)使用(yong)(yong)(yong),與(yu)許多(duo)材料粘附性好，在較低溫度下(xia)使用(yong)(yong)(yong)一個簡(jian)單的(de)(de)桌(zhuo)面設備就可(ke)打印(yin)。 真菌泡沫 從最初(chu)構想得到(dao)一種(zhong)廉價的(de)(de)(de)(de)、綠色的(de)(de)(de)(de)以(yi)及泡沫聚苯乙(yi)烯的(de)(de)(de)(de)高效替代(dai)品(pin)，Ecovative設(she)計(ji)公司通過農作物(wu)廢(fei)料、植物(wu)的(de)(de)(de)(de)莖及大米和(he)小麥殼以(yi)及緊連在一起的(de)(de)(de)(de)木須(菌絲)來制備蘑菇包裝(zhuang)材料。公司目前正利(li)用(yong)這些蘑菇材料來生產能夠(gou)用(yong)于生物(wu)降(jiang)解的(de)(de)(de)(de)替代(dai)者，使之能夠(gou)降(jiang)解汽車保險杠，門，屋頂，引擎室(shi)，行李箱(xiang)襯(chen)墊(dian)，儀表盤和(he)座位里面使用(yong)的(de)(de)(de)(de)以(yi)石油為(wei)原料的(de)(de)(de)(de)塑(su)料泡沫。另外(wai)一個(ge)潛在的(de)(de)(de)(de)應用(yong)包括(kuo)桌(zhuo)面，沖浪(lang)板和(he)衣服的(de)(de)(de)(de)降(jiang)解。(工業(ye)經(jing)濟(ji)論壇) |
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