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材料技术的限制

今天技术的最大限制，主要是材料技术的限制

2018-8-21 13:49:59 300

8月11日，2011年诺贝尔化学奖获得者、以色列工学院教授Dan Shechtman出席世界科技创新论坛，并发表主题演讲。他坦言到：“在今天的技术中，最大的一个限制就是材料技术方面的的缺乏，我们祈祷着在材料学中也能发生所谓的革命，而不是渐进式的缓慢发展。”现摘录这位教授的演讲精华，以飨读者。

今天我要讲一讲材料科学和工程学方面面临的挑战。如果你想要知道我们现在在材料科学和工程学方面需要什么，大家可以到英特网上去看一看，一些大的机构，他们想要去找什么。比如说我们可以去美国国防部的网站，问一下他们现在需要什么，他们会告诉你什么呢？他们想开发一个结构性的多功能的材料，想要开发能源材料和发电材料，还希望能有电子材料和光子材料，功能的有机的材料。那么这些是他们希望在未来几年能开发出来的材料。从今天我的发言中，我会告诉大家，我们在材料科学方面取得了什么样的进展。

首先我们看看现在要花多少时间传递信息，以及花多少时间传输人和商品。我刚刚从以色列来，从香港转机，花很久的时间才到了北京。但如果发一条微信信息到我的手机上，可能只有一秒的时间。为什么这样呢？60年前和今天相比，1950年代的时候，我们要传输物品、商品，从北京到巴黎，可能需要一天的时间通过飞机，而现在还是一天，没有发生什么变化。但如果你的信息想要传递，60年前你寄给巴黎一封信，最起码需要一周的时间，而现在只有一秒钟的时间。

为什么我们现在可以这么快的传输信息，而商品的传递方面几乎一百年没有什么速度上的变化，这就和材料科学有关，以及眼界和革命，或者说变革有关。我们说结构性的金属，它是一个演进，而硅的技术是一个变革和改革，这个会带来很大的改变。

我讲讲材料方面的应用，我们需要新的材料才能满足航空、汽车、生物可降解方面的材料，在这些方面还没有最优的材料，所以我们现在仍然在等待这些新材料的出现，而这是一个不断演进的过程。

同时有一些材料是等待着新的应用，比如CVD钻石，钻石是一个非常好的材料，是最好的热传导器，是铜的4倍，也是世界上最硬的材料，而且是透明的。它对很多的光谱都是透明的，与此同时它是非常好的一种材料。几年之前我们只有天然的钻石，如果我们有大量的钻石的话，那么这是一个非常了不起的世界。现在我们有了技术可以生产任何规模任何大小的钻石，通过CVD生产钻石，但在这方面的真正应用是非常少的。

还有准周期性材料，这是我的研究，它仍然是有很多很有意思的特点，在寻找这些新的应用。当然现在钻石和这些材料都有应用，但还不多。我们现在来看看这一方面的应用，比如民航，这是1950年代时候的一个飞机，差不多是70年前的一个飞机了，当时是世界上最好的机型，可以跨越大西洋的飞机，而现在我们有787的波音飞机，它做的事情和七十年前一样，当然波音可以做很多其它的功能，但没有太多速度上的变化。

其实60年以来，我们可以看到飞机的引擎在得到改善，那么一方面更加安全，比如每一百万飞行的事故率改善了90%，所以现在是非常安全的，比开车还要安全。另外相对于重量的推动力改善了350%，现在的引擎是非常好的。另外燃油效率也得到45%的改善，引擎的噪音降了35db，现在变的更好了，可以看到飞机也变的更好了。

飞机现在可以飞的很远很广，可以飞人飞商品，比如你在中国从任何一个城市可以飞到任何一个城市，每个人都可以飞，而且价格是比较合理的，每个人都可以做到这一点，所以飞机的通行现在是合理的价格，很多人都可以飞，很多的飞机公司都在竞争获得客户。

问题在哪里？首先我们的飞机速度还不够快，特别是和以前相比没有快太多，而且门对门的时间，其实和60年前是差不多的，当然如果包括安检时间的话，这个时间就会更长。比如你要在起飞前2～3小时就到机场，但在以前可能你并不需要提前3个小时就到达机场，所以门对门的时间并没有太多的改善，要解决这个问题需要更好的高温材料，可以进入到飞机的引擎当中非常热的部分，这样的话飞机可以飞得更快。

这种材料演进的机会是不错的，也许我们可以最终通过演进可以实现，但是这个革命的可能性是非常少的，我们预计在这样一个材料科学方面不会出现革命性的变革。我们看一下对于新材料的开发、运用与现有的应用是非常长的，而且需要花很多的精力，找到正确的合金应用是第一步。找到这个材料只是刚刚开始而已，整个流程可能会花很长时间，而处理一个新的合金是下一步，而且这需要很多的努力，包括智商和财力，这样的流程可能会花很多年的时间。

比如说，钛化铝是钛和铝的化合物，三铝化钛和铝化钛，这可能是有用的材料，我也做了很多年前的博士研究，在七十年代的时候。我当时就研究了这些材料变形的过程，我们去了解这些材料，也知道它们的组成。

我们从50年代的时候就知道材料的组成了，我们知道铝化钛加上其它一些材料，我们就可以组成一个比较好的材料，我们从50年代的时候就知道了这一点。但一个引擎公司拿了一个新材料来开发这种材料，大家想想发生了什么，要把它放到飞机的引擎当中，整整过了40年的工艺流程。

我们找这个材料很快就找到了，但是它的处理流程、工艺流程花了40年，而这家公司是一家非常强的公司，非常有能力的公司。那么这样一个产品开发的过程，就是我所说的汽油车到电车、动车。特斯拉已经走到前沿，日本、韩国、德国也在开发这些车，但到现在为止我们还没有一个完美的电池，为什么是电池呢？这是福特的T型汽车。

这个车能做的事情现在的车还做不了，因为当时路不好，所以福特车在车况非常不好的时候设计的，这个车底盘非常高，路况很不好的时候可以开。但现在的路况很好，所以我们看特斯拉的车底盘是非常低的，这些车在以前的路上是开不了的，只有T型车才能开。电池这一块，我就跳过了，直接讲一讲生物可降解的假体植入。

我们都知道有一些人有心脏的问题，他其实有很好的解决方案，不需要做开胸手术，就能解决血管栓塞的问题，可以放一个假体进去，短时间病人就能醒过来，没有什么伤害。把这个假体放进去，撑开，血管栓塞就解决了。但血管会收缩、扩张，每一次心动的时候都会这样，但支架不会这样做，所以它可能会有一个慢性的问题，如果你有一个生物可降解的假体就可以解决这个问题。比如血管栓塞解决之后，这个支架就会消失，会降解，不再会有任何的参与，所以不会有慢性病留下来。很多情况下这种假体最好是生物可降解的。

现在使用最好的材料就是不锈钢，但这种材料现在却不是生物可降解的，如果使用生物可降解材料的话，除非是使用镁铝，但是镁铝不好用，因为溶解的速度不够，聚合物不好用是因为强度不够，所以现在没有什么好的解决方案，在支架上仍然寻找更好的材质，让它实现生物降解性。

下面我们来谈一谈准周期材料，准周期材料有着特殊的特性，比如在导电性、绝缘绝热方面，低温下它的导电性会降低，它有很多我们现在具体的材料中的应用，下面我想给大家讲一个我想要给大家聊一聊的话题。

青铜时代，大概公元前1200年，人类就发现了铁，开始使用铁。但是铁和当时的这种青铜相比，强度不够，所以几千年以来即使铁发明出来了，人们也更愿意使用青铜。直到公元前8世纪发现在铁里面加入少量碳，就会形成钢，钢这种材料是非常好的。

直到今天我们在建筑领域大量使用钢材，过去很多汽车也是使用这种钢材的，现在很多都是使用塑料材质了，但在建筑行业、在工厂里面，使用很多的材质就是钢。可以说钢是现在使用的非常重要的一种金属，还有是合金。一开始铝发明出来的成本比制作黄金还要高，但后来找到一种办法可以从矿石中制作合金，成本大降低，所以铝大幅度应用。

后来NASA想要发射一个航天器向太阳进军，因为太阳温度非常非常高，靠太阳越近温度越高，如果今天走到室外的话发现温度很热，如果离太阳越近的话这个温度会越来越高。NASA这个航天器究竟能离太阳多近呢？最高的温度是1370度，这个温度已经非常高了。但这样的温度下如何保证航天器受到保护不受影响呢？这里面需要使用碳这个合成物，外面有石墨烯的板，这个是目前使用最好的材料，可以绝热，可以保持内部温度30度左右，保证航天器内部正常运作，而外面涂成白色来反射辐射而不要吸收辐射。

航天业的革命是由莱特兄弟发起的，1903年莱特兄弟试飞第一架飞机，当时的引擎就是使用铝，生产铝的这家公司直到今天仍然非常成功。里面加入80%的铜，但他们当时不知道为什么这么好，当然我们现在知道了。当时知道这种铝铜的合金特别适合做飞机的引擎，现在很多汽车的引擎也是使用这种合金。

现在可以使用金属3D打印了，我们叫金属的增材制造，但是增材制造现在所生产的这个产品还不够好，速度还不够快，成本还不够低。但是我们已经看到了这样一个趋势，我们现在渐渐的正在经历这种变革，我们已经看到了这个隧道尽头的曙光。

另外一种加工工艺是叫挤出工艺，通过这种挤出工艺你可以生产出更加精细的金属材料，让它获得更加优异的性能。

最后，在今天的技术中，最大的一个限制就是材料技术方面的的缺乏，我们祈祷着在材料学中也能发生所谓的革命，而不是渐进式的缓慢发展。谢谢大家。