九種新材料改變未來制造業 |
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研究(jiu)人(ren)員正在致(zhi)力于(yu)開發先進的(de)泡沫、涂料、金屬和(he)(he)其他物質(zhi)使我(wo)們(men)的(de)房屋,汽車和(he)(he)電子(zi)產品更(geng)節能和(he)(he)環(huan)保。制造業的(de)未來取決于(yu)一系列技術突破，如機器人(ren),傳(chuan)感器和(he)(he)高性(xing)能計算,等(deng)等(deng)。但是(shi)材料制造商使用什么性(xing)能的(de)材料和(he)(he)如何來制備這(zhe)些設備將具有(you)非(fei)常的(de)影響。新材料改(gai)變生(sheng)產過程和(he)(he)最終使用結果。 《科學美國人》曾(ceng)在特別報道“如何制造下一個大突破(po)”中(zhong)，展示了幾個正(zheng)在研(yan)發(fa)的(de)新材料(liao)幫助(zhu)發(fa)明家和工程師開發(fa)下一代(dai)技術。這些(xie)成分包(bao)括超(chao)絕緣氣凝膠宇航服、建筑工程中(zhong)的(de)高韌性混凝土布料(liao)和可代(dai)替(ti)有毒塑料(liao)的(de)復雜天然高分子材料(liao)。 超薄鉑 將來，氫燃料電池汽(qi)車(che)可(ke)作為清潔的(de)(de)交通(tong)工具,但他(ta)們(men)仍然昂貴的(de)(de)部(bu)分原因是他(ta)們(men)使用(yong)(yong)貴金屬(shu)鉑,促進電池內的(de)(de)化學(xue)反應,產生(sheng)電能。快(kuai)(kuai)速而(er)低成本(ben)的(de)(de)一種(zhong)新方(fang)法沉(chen)積(ji)超薄層(ceng)鉑，可(ke)減少燃料電池中(zhong)使用(yong)(yong)的(de)(de)金屬(shu)催(cui)化劑,從而(er)大大降低成本(ben)。當前應用(yong)(yong)石墨(mo)烯鉑的(de)(de)主要方(fang)法——原子層(ceng)沉(chen)積(ji)，低效而(er)復雜。根據美國(guo)國(guo)家標(biao)準(zhun)與(yu)技術(shu)研究院準(zhun)則(ze)，新方(fang)法則(ze)廉價且容(rong)易實現。從本(ben)質上講,鉑在溶(rong)液中(zhong)溶(rong)解，是通(tong)過(guo)(guo)交替正負電壓在單原子層(ceng)中(zhong)沉(chen)積(ji)。通(tong)過(guo)(guo)重(zhong)復可(ke)快(kuai)(kuai)速且輕松(song)地構建任(ren)意原子層(ceng)厚度。 大型磁鐵 稀(xi)土材料(liao)因為(wei)具(ju)備非(fei)常好的(de)(de)磁特性，對于制備風力(li)渦輪(lun)機，電(dian)動(dong)汽車和混合動(dong)力(li)汽車以(yi)及家用(yong)電(dian)子器件至關(guan)重(zhong)要。但是(shi)(shi)同時他(ta)們也具(ju)有(you)價格(ge)敖貴和來源(yuan)單一(yi)(yi)(只(zhi)有(you)中國(guo)(guo)有(you))的(de)(de)特點(dian)。然而，根(gen)據美(mei)國(guo)(guo)電(dian)子能源(yuan)公(gong)(gong)司的(de)(de)消息(xi)，電(dian)動(dong)機使(shi)(shi)用(yong)磁鐵(tie)將電(dian)能轉(zhuan)換成(cheng)機械能，一(yi)(yi)個很小(xiao)尺寸的(de)(de)燒結的(de)(de)稀(xi)土磁體便能夠產生非(fei)常強大的(de)(de)磁場(chang)，這(zhe)使(shi)(shi)制造商能夠制備更小(xiao)和更輕的(de)(de)汽車成(cheng)為(wei)可能。這(zhe)家公(gong)(gong)司已經與美(mei)國(guo)(guo)特拉華(hua)大學(xue)研究人(ren)員(yuan)合作以(yi)尋找(zhao)一(yi)(yi)種能夠將稀(xi)土磁鐵(tie)的(de)(de)電(dian)阻率提高至少30%的(de)(de)制備工藝。他(ta)們的(de)(de)目標是(shi)(shi)利(li)用(yong)電(dian)阻率增加的(de)(de)磁鐵(tie)即使(shi)(shi)在汽車高速運轉(zhuan)時也能降低發動(dong)機的(de)(de)效率損失(shi)。上(shang)圖便是(shi)(shi)塊狀的(de)(de)鍍鎳的(de)(de)釹磁鐵(tie)，是(shi)(shi)世界上(shang)使(shi)(shi)用(yong)最廣泛的(de)(de)一(yi)(yi)種稀(xi)土磁鐵(tie)之一(yi)(yi)。 仿生學塑料 在家蠅和(he)(he)蚱蜢堅(jian)硬的(de)(de)(de)外骨骼中(zhong)(zhong)發現(xian)了一(yi)(yi)種(zhong)自然昆(kun)蟲(chong)表皮，它有(you)足(zu)夠輕(qing)的(de)(de)(de)重(zhong)量保(bao)證飛行，足(zu)夠薄(bo)以保(bao)障(zhang)彈性(xing)和(he)(he)足(zu)夠的(de)(de)(de)強(qiang)度以保(bao)護它的(de)(de)(de)身軀(qu)。這種(zhong)表皮能(neng)(neng)夠在不增加重(zhong)量或體(ti)積的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)給軀(qu)體(ti)提供保(bao)護。哈(ha)佛大學生(sheng)物(wu)工程(cheng)研究(jiu)所工程(cheng)研究(jiu)員發現(xian)了一(yi)(yi)種(zhong)稱之為Shrilk 的(de)(de)(de)新材料以復制昆(kun)蟲(chong)表皮的(de)(de)(de)強(qiang)度、耐用性(xing)和(he)(he)多功能(neng)(neng)性(xing)。Shrilk，之所以這樣命名是因為這種(zhong)材料包含了從廢(fei)棄的(de)(de)(de)蝦殼(shrimp shells)和(he)(he)蠶(can)絲(silk)蛋(dan)白的(de)(de)(de)蛋(dan)白質(zhi)中(zhong)(zhong)提取(qu)出的(de)(de)(de)殼質(zhi)，能(neng)(neng)夠用來制備可(ke)以迅速降解(jie)的(de)(de)(de)垃圾袋，包裝袋和(he)(he)尿布(bu)。 作為一種(zhong)異常(chang)堅硬(ying)，具有生物相容(rong)性的(de)材(cai)料，它(ta)也能夠被用(yong)于需要承受高載荷的(de)傷口(kou)縫合，比如(ru)在疝修補或者用(yong)作組織(zhi)再生的(de)支架。 更便宜的或更輕的碳纖維 未來的(de)汽車需要高強度，重量輕的(de)碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)復(fu)合材料(liao)結構(gou)來提高汽車效(xiao)率和運行(xing)里(li)程，但是低成(cheng)(cheng)(cheng)本也是取(qu)得市場成(cheng)(cheng)(cheng)功的(de)充分條件。一(yi)個(ge)由國(guo)家實驗(yan)室(shi)，和在橡(xiang)樹(shu)嶺國(guo)家實驗(yan)室(shi)的(de)碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)技術(shu)中(zhong)心工作的(de)產(chan)(chan)業界(jie)和學術(shu)界(jie)工作人(ren)員共(gong)同組成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)團隊正在致力(li)于克服降低碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)成(cheng)(cheng)(cheng)本的(de)挑戰。美國(guo)能源局(ju)撥給了橡(xiang)樹(shu)嶺國(guo)家實驗(yan)室(shi)3500萬美元的(de)經(jing)費來建立(li)和運行(xing)這個(ge)碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)技術(shu)中(zhong)心。這其中(zhong)包括了一(yi)個(ge)年(nian)產(chan)(chan)能25噸新碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)材料(liao)的(de)小規模(mo)試驗(yan)場。 納米晶體設計師 三位芝加哥大學(xue)的化學(xue)家(jia)已經(jing)發現了一個(ge)新(xin)方法裝配他們稱之(zhi)為(wei)“原(yuan)子(zi)設(she)計師”的新(xin)型材料，它有巨大的潛能(neng)和能(neng)廣泛地應用。這些(xie)設(she)計原(yuan)子(zi)為(wei)納米(mi)晶體(ti)(ti)——微小晶體(ti)(ti)陣(zhen)列足夠小以致新(xin)的量子(zi)現象開始出現,但尺(chi)寸也足以實現新(xin)功能(neng)材料和性(xing)能(neng),這可用于(yu)收集太(tai)陽能(neng)和實現量子(zi)計算。 堅硬固體涂料 來自(zi)橡樹(shu)嶺和勞倫斯利弗莫爾(er)國家實(shi)驗室(shi)的(de)(de)(de)工(gong)程師(shi)，科(ke)羅拉多礦業(ye)學院(yuan)的(de)(de)(de)和其他地方的(de)(de)(de)工(gong)程師(shi)已經(jing)設計出(chu)一種用(yong)(yong)于工(gong)業(ye)鉆頭,鉆孔和刀具的(de)(de)(de)耐極端情(qing)況(kuang)(kuang)，鐵基的(de)(de)(de)玻(bo)璃(li)合(he)金涂(tu)層，從而(er)(er)增強這(zhe)些裝置在高(gao)(gao)載荷情(qing)況(kuang)(kuang)下(xia)的(de)(de)(de)斷裂強度。納米(mi)(mi)盾(dun)涂(tu)料——納米(mi)(mi)尺寸(cun)非常堅(jian)硬價格并不敖貴(gui)的(de)(de)(de)激光沉積涂(tu)料的(de)(de)(de)簡稱，它(ta)需要(yao)用(yong)(yong)激光融化刀具和其它(ta)隧(sui)道鉆孔工(gong)具表(biao)面的(de)(de)(de)合(he)金粉末。這(zhe)種涂(tu)層遠比傳(chuan)統的(de)(de)(de)像碳(tan)化鎢(wu)鈷(gu)材料便宜，而(er)(er)且它(ta)們的(de)(de)(de)運行壽命更(geng)長，進而(er)(er)提高(gao)(gao)了隧(sui)道鉆頭打孔的(de)(de)(de)效率。 廢物轉化為能源熱電技術 西北(bei)大學(xue)(xue)和(he)(he)密歇根州立大學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)科學(xue)(xue)家們展示了(le)一種熱(re)(re)電(dian)(dian)材料(liao)能(neng)高效轉(zhuan)化廢熱(re)(re)為電(dian)(dian)能(neng)。這是(shi)好消息如果你考慮(lv)到將近三分之二的(de)(de)(de)(de)能(neng)源輸入丟失作(zuo)為廢熱(re)(re)。現有(you)熱(re)(re)電(dian)(dian)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)低效率限(xian)制(zhi)了(le)他們的(de)(de)(de)(de)商業用(yong)途。創紀錄性、環(huan)保穩定的(de)(de)(de)(de)方法(fa)預計(ji)將15 - 20%的(de)(de)(de)(de)廢熱(re)(re)轉(zhuan)化成(cheng)有(you)用(yong)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)能(neng),讓更(geng)大的(de)(de)(de)(de)工(gong)業采(cai)用(yong)熱(re)(re)電(dian)(dian)技術。廢熱(re)(re)回收系統可(ke)以連接,例如,車(che)輛排放或從玻(bo)璃制(zhi)磚工(gong)廠(chang)，煉(lian)油(you)(you)廠(chang),化石燃料(liao)發電(dian)(dian)廠(chang)以及大型運(yun)輸和(he)(he)油(you)(you)輪處理的(de)(de)(de)(de)排放。 導電油墨 量子(zi)-電(dian)子(zi)法可(ke)(ke)制作奇(qi)特但有用(yong)的(de)內部絕緣(yuan)、表面導電(dian)的(de)半導體。材(cai)(cai)料大部分區域作為絕緣(yuan)體,阻(zu)礙電(dian)子(zi)運動(dong)(dong)，然而表面是非(fei)常好(hao)、像(xiang)金屬的(de)導體，能讓電(dian)子(zi)以近光(guang)速自由運動(dong)(dong),不(bu)受通常材(cai)(cai)料中阻(zu)礙電(dian)子(zi)運動(dong)(dong)的(de)雜質的(de)影響。不(bu)含金屬的(de)導電(dian)油(you)墨(mo)在印刷電(dian)子(zi)材(cai)(cai)料發揮重要(yao)作用(yong)，應用(yong)于顯(xian)示屏、傳感器和電(dian)池。例如,伊利(li)諾(nuo)斯州大學的(de)研究(jiu)人員(yuan)創造了一(yi)個銀基電(dian)動(dong)(dong)油(you)墨(mo)在蒸發時留(liu)下(xia)導電(dian)材(cai)(cai)料痕跡(ji)。新配方比(bi)傳統(tong)的(de)電(dian)子(zi)墨(mo)水(shui)更易使(shi)用(yong),與許多(duo)材(cai)(cai)料粘(zhan)附(fu)性好(hao)，在較低溫度下(xia)使(shi)用(yong)一(yi)個簡(jian)單的(de)桌面設備(bei)就可(ke)(ke)打印。 真菌泡沫 從最(zui)初構想得到一(yi)種廉價(jia)的、綠色的以及泡沫聚苯乙烯的高(gao)效替代品，Ecovative設計公(gong)(gong)司(si)通過農作物廢料(liao)、植物的莖及大米和小麥殼(ke)以及緊連在(zai)一(yi)起的木須(菌絲)來制備(bei)蘑(mo)菇包裝材料(liao)。公(gong)(gong)司(si)目(mu)前正利(li)用這些蘑(mo)菇材料(liao)來生產能(neng)夠用于生物降解(jie)的替代者，使之能(neng)夠降解(jie)汽車保險(xian)杠(gang)，門，屋(wu)頂，引擎室，行李箱(xiang)襯墊，儀表盤和座位里面使用的以石油為原料(liao)的塑(su)料(liao)泡沫。另外一(yi)個潛(qian)在(zai)的應用包括桌(zhuo)面，沖浪板和衣服的降解(jie)。(工業(ye)經(jing)濟論壇) |
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