九種新材料改變未來制造業 |
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研(yan)究人員(yuan)正在致力于(yu)開發先進(jin)的泡沫(mo)、涂料(liao)、金(jin)屬和(he)(he)其他物質使(shi)我們的房(fang)屋,汽車和(he)(he)電子產品更節能和(he)(he)環(huan)保。制(zhi)造業的未來(lai)(lai)取決于(yu)一(yi)系列技術突破，如機器(qi)人,傳感器(qi)和(he)(he)高性(xing)能計算,等等。但是材料(liao)制(zhi)造商(shang)使(shi)用什(shen)么性(xing)能的材料(liao)和(he)(he)如何(he)來(lai)(lai)制(zhi)備這些設(she)備將具(ju)有(you)非常(chang)的影響。新材料(liao)改變生產過程和(he)(he)最終(zhong)使(shi)用結(jie)果。 《科學美國(guo)人》曾在特別報道“如何制(zhi)造下一個(ge)大突破”中，展示了幾個(ge)正在研發的(de)(de)新材料(liao)(liao)幫(bang)助發明家和(he)工程師開發下一代技術。這些(xie)成(cheng)分包括(kuo)超(chao)絕緣氣(qi)凝膠(jiao)宇(yu)航服、建(jian)筑工程中的(de)(de)高(gao)韌性混凝土布料(liao)(liao)和(he)可代替有毒(du)塑料(liao)(liao)的(de)(de)復雜天然高(gao)分子材料(liao)(liao)。 超薄鉑 將來，氫燃料(liao)電池汽車可作為(wei)清潔的交通(tong)工具,但他們(men)仍然(ran)昂貴的部分(fen)原(yuan)因是(shi)他們(men)使(shi)用(yong)貴金屬鉑(bo)(bo)(bo)(bo),促(cu)進電池內(nei)的化學反應,產生電能。快速而低(di)成本(ben)的一種新方(fang)(fang)法沉積(ji)超薄層鉑(bo)(bo)(bo)(bo)，可減少燃料(liao)電池中(zhong)使(shi)用(yong)的金屬催化劑,從(cong)而大(da)大(da)降低(di)成本(ben)。當(dang)前應用(yong)石墨(mo)烯鉑(bo)(bo)(bo)(bo)的主要(yao)方(fang)(fang)法——原(yuan)子層沉積(ji)，低(di)效而復雜(za)。根據美國國家(jia)標準與技術研究院準則(ze)，新方(fang)(fang)法則(ze)廉價且容易實現。從(cong)本(ben)質上講,鉑(bo)(bo)(bo)(bo)在溶(rong)(rong)液(ye)中(zhong)溶(rong)(rong)解，是(shi)通(tong)過交替正負電壓在單(dan)原(yuan)子層中(zhong)沉積(ji)。通(tong)過重(zhong)復可快速且輕松地構建任意原(yuan)子層厚度(du)。 大型磁鐵 稀(xi)土(tu)材料因為具備(bei)非常好(hao)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)特(te)性(xing)，對(dui)于制(zhi)(zhi)備(bei)風力渦輪機(ji)，電(dian)動(dong)汽車(che)和(he)混合動(dong)力汽車(che)以(yi)及家用電(dian)子器件至關重要。但(dan)是同時他們(men)也具有價格敖貴和(he)來源單一(只有中(zhong)國(guo)有)的(de)(de)特(te)點(dian)。然而，根據美(mei)國(guo)電(dian)子能(neng)(neng)(neng)源公司的(de)(de)消息，電(dian)動(dong)機(ji)使用磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)將電(dian)能(neng)(neng)(neng)轉換(huan)成機(ji)械(xie)能(neng)(neng)(neng)，一個(ge)很小尺寸的(de)(de)燒結的(de)(de)稀(xi)土(tu)磁(ci)(ci)(ci)體便(bian)能(neng)(neng)(neng)夠產生非常強大的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，這使制(zhi)(zhi)造商(shang)能(neng)(neng)(neng)夠制(zhi)(zhi)備(bei)更(geng)小和(he)更(geng)輕(qing)的(de)(de)汽車(che)成為可能(neng)(neng)(neng)。這家公司已經與(yu)美(mei)國(guo)特(te)拉華大學研究人員合作以(yi)尋找一種能(neng)(neng)(neng)夠將稀(xi)土(tu)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)的(de)(de)電(dian)阻率(lv)提(ti)高(gao)至少30%的(de)(de)制(zhi)(zhi)備(bei)工藝。他們(men)的(de)(de)目標(biao)是利用電(dian)阻率(lv)增(zeng)加的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)即使在汽車(che)高(gao)速(su)運轉時也能(neng)(neng)(neng)降低發(fa)動(dong)機(ji)的(de)(de)效率(lv)損失。上圖便(bian)是塊狀的(de)(de)鍍鎳的(de)(de)釹(nv)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)，是世界上使用最廣泛的(de)(de)一種稀(xi)土(tu)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)之一。 仿生學塑料 在(zai)家蠅和(he)蚱蜢堅(jian)硬的(de)(de)外骨骼中(zhong)發(fa)現(xian)了(le)一種自然(ran)昆(kun)(kun)蟲表皮(pi)(pi)，它有足夠輕(qing)的(de)(de)重量保證(zheng)飛行，足夠薄以(yi)(yi)保障彈性和(he)足夠的(de)(de)強度(du)以(yi)(yi)保護(hu)它的(de)(de)身軀。這(zhe)種表皮(pi)(pi)能夠在(zai)不增加重量或體積的(de)(de)情況下給(gei)軀體提供(gong)保護(hu)。哈(ha)佛大學生物工(gong)程(cheng)研究所工(gong)程(cheng)研究員發(fa)現(xian)了(le)一種稱之為(wei)Shrilk 的(de)(de)新(xin)材料以(yi)(yi)復制(zhi)昆(kun)(kun)蟲表皮(pi)(pi)的(de)(de)強度(du)、耐用(yong)性和(he)多功能性。Shrilk，之所以(yi)(yi)這(zhe)樣命名是(shi)因為(wei)這(zhe)種材料包含(han)了(le)從廢棄的(de)(de)蝦殼(shrimp shells)和(he)蠶絲(silk)蛋白的(de)(de)蛋白質(zhi)中(zhong)提取出的(de)(de)殼質(zhi)，能夠用(yong)來(lai)制(zhi)備可(ke)以(yi)(yi)迅速降解的(de)(de)垃圾袋，包裝袋和(he)尿(niao)布。 作(zuo)為一種異常堅硬，具(ju)有生物相(xiang)容(rong)性的材料，它也能夠被用于需要(yao)承受高載荷的傷口縫合，比如在(zai)疝(shan)修補或者用作(zuo)組織再(zai)生的支架。 更便宜的或更輕的碳纖維 未(wei)來(lai)的(de)(de)(de)汽(qi)車需要高強(qiang)度，重量輕(qing)的(de)(de)(de)碳(tan)纖(xian)維(wei)復合材料(liao)結構來(lai)提高汽(qi)車效率和運(yun)(yun)行(xing)里程，但(dan)是(shi)低成(cheng)本(ben)也(ye)是(shi)取得市場成(cheng)功的(de)(de)(de)充(chong)分條件。一(yi)個由(you)國家實(shi)驗室，和在橡(xiang)樹嶺國家實(shi)驗室的(de)(de)(de)碳(tan)纖(xian)維(wei)技術中心工作的(de)(de)(de)產(chan)業界和學術界工作人員共(gong)同組成(cheng)的(de)(de)(de)團(tuan)隊正在致力于(yu)克(ke)服降低碳(tan)纖(xian)維(wei)成(cheng)本(ben)的(de)(de)(de)挑戰。美國能源局撥給了橡(xiang)樹嶺國家實(shi)驗室3500萬美元的(de)(de)(de)經(jing)費來(lai)建立(li)和運(yun)(yun)行(xing)這個碳(tan)纖(xian)維(wei)技術中心。這其中包(bao)括(kuo)了一(yi)個年產(chan)能25噸(dun)新碳(tan)纖(xian)維(wei)材料(liao)的(de)(de)(de)小規模試驗場。 納米晶體設計師 三位芝加哥大(da)學(xue)的(de)(de)(de)化學(xue)家已經發(fa)現(xian)(xian)(xian)了一個新(xin)(xin)(xin)方(fang)法裝(zhuang)配(pei)他們稱(cheng)之(zhi)為“原子(zi)設計(ji)師”的(de)(de)(de)新(xin)(xin)(xin)型材料(liao)，它有巨大(da)的(de)(de)(de)潛(qian)能(neng)和能(neng)廣泛(fan)地應用。這(zhe)(zhe)些設計(ji)原子(zi)為納米晶(jing)(jing)體——微小晶(jing)(jing)體陣(zhen)列足(zu)夠(gou)小以致新(xin)(xin)(xin)的(de)(de)(de)量子(zi)現(xian)(xian)(xian)象開始(shi)出現(xian)(xian)(xian),但尺(chi)寸也足(zu)以實(shi)現(xian)(xian)(xian)新(xin)(xin)(xin)功能(neng)材料(liao)和性(xing)能(neng),這(zhe)(zhe)可用于收集太陽能(neng)和實(shi)現(xian)(xian)(xian)量子(zi)計(ji)算。 堅硬固體涂料 來自橡樹(shu)嶺和(he)勞倫(lun)斯利弗莫爾國家實驗室(shi)的(de)(de)工(gong)程師(shi)，科羅(luo)拉(la)多礦業學(xue)院的(de)(de)和(he)其(qi)(qi)他(ta)地方(fang)的(de)(de)工(gong)程師(shi)已經設計出一種用于工(gong)業鉆頭(tou),鉆孔(kong)和(he)刀(dao)具(ju)的(de)(de)耐極端情況，鐵基的(de)(de)玻璃合金(jin)(jin)涂(tu)層，從而(er)(er)增強這(zhe)些裝置(zhi)在高(gao)載(zai)荷情況下的(de)(de)斷裂強度。納米盾涂(tu)料(liao)——納米尺寸非(fei)常堅硬價格并不敖貴的(de)(de)激光沉積涂(tu)料(liao)的(de)(de)簡稱(cheng)，它(ta)需要用激光融化(hua)刀(dao)具(ju)和(he)其(qi)(qi)它(ta)隧道鉆孔(kong)工(gong)具(ju)表面的(de)(de)合金(jin)(jin)粉末。這(zhe)種涂(tu)層遠比(bi)傳(chuan)統的(de)(de)像碳(tan)化(hua)鎢鈷材料(liao)便宜，而(er)(er)且它(ta)們的(de)(de)運行(xing)壽命(ming)更長，進而(er)(er)提高(gao)了(le)隧道鉆頭(tou)打孔(kong)的(de)(de)效率(lv)。 廢物轉化為能源熱電技術 西北大學(xue)(xue)和密歇根(gen)州立(li)大學(xue)(xue)的(de)科學(xue)(xue)家(jia)們展示了一種熱(re)(re)電(dian)材料(liao)能高效(xiao)轉(zhuan)化(hua)廢熱(re)(re)為(wei)電(dian)能。這(zhe)是好消(xiao)息(xi)如果你考慮到(dao)將近三分之二的(de)能源(yuan)輸入丟失作為(wei)廢熱(re)(re)。現有熱(re)(re)電(dian)材料(liao)的(de)低(di)效(xiao)率限(xian)制(zhi)了他們的(de)商(shang)業用途。創紀錄性、環保穩(wen)定的(de)方法預計將15 - 20%的(de)廢熱(re)(re)轉(zhuan)化(hua)成有用的(de)電(dian)能,讓(rang)更(geng)大的(de)工(gong)業采用熱(re)(re)電(dian)技術。廢熱(re)(re)回收系統可(ke)以(yi)連接,例如,車輛排(pai)放或從(cong)玻璃制(zhi)磚(zhuan)工(gong)廠(chang)，煉(lian)油(you)廠(chang),化(hua)石燃料(liao)發電(dian)廠(chang)以(yi)及大型運輸和油(you)輪處理的(de)排(pai)放。 導電油墨 量子(zi)-電(dian)(dian)子(zi)法可(ke)制作(zuo)奇特但有用(yong)的(de)內部絕緣(yuan)、表面導電(dian)(dian)的(de)半(ban)導體。材料大部分(fen)區(qu)域作(zuo)為絕緣(yuan)體,阻(zu)礙(ai)電(dian)(dian)子(zi)運(yun)(yun)動(dong)(dong)，然而表面是非常好、像金(jin)屬的(de)導體，能讓電(dian)(dian)子(zi)以(yi)近(jin)光速自由(you)運(yun)(yun)動(dong)(dong),不受通常材料中阻(zu)礙(ai)電(dian)(dian)子(zi)運(yun)(yun)動(dong)(dong)的(de)雜質的(de)影響(xiang)。不含金(jin)屬的(de)導電(dian)(dian)油墨在印刷電(dian)(dian)子(zi)材料發揮重要作(zuo)用(yong)，應(ying)用(yong)于顯示屏(ping)、傳感(gan)器和電(dian)(dian)池。例(li)如(ru),伊利諾斯州大學的(de)研究人員創造了一個銀基電(dian)(dian)動(dong)(dong)油墨在蒸發時(shi)留下導電(dian)(dian)材料痕跡。新配(pei)方(fang)比傳統的(de)電(dian)(dian)子(zi)墨水更易使用(yong),與(yu)許多材料粘附性好，在較低溫度下使用(yong)一個簡單的(de)桌(zhuo)面設備就可(ke)打印。 真菌泡沫 從最(zui)初構想得到(dao)一(yi)種廉價的(de)(de)、綠色的(de)(de)以(yi)(yi)及泡沫聚苯乙烯的(de)(de)高(gao)效替代(dai)品(pin)，Ecovative設計公司通過(guo)農作物(wu)廢料(liao)、植物(wu)的(de)(de)莖(jing)及大米(mi)和小(xiao)麥殼以(yi)(yi)及緊連在(zai)一(yi)起的(de)(de)木須(xu)(菌絲)來制備(bei)蘑菇包(bao)(bao)裝材(cai)料(liao)。公司目前正利(li)用(yong)這些蘑菇材(cai)料(liao)來生產能夠用(yong)于生物(wu)降解的(de)(de)替代(dai)者，使之(zhi)能夠降解汽車保險(xian)杠，門，屋頂(ding)，引(yin)擎室(shi)，行李箱(xiang)襯(chen)墊，儀表盤(pan)和座位(wei)里面使用(yong)的(de)(de)以(yi)(yi)石油(you)為原料(liao)的(de)(de)塑(su)料(liao)泡沫。另外一(yi)個潛在(zai)的(de)(de)應用(yong)包(bao)(bao)括桌面，沖浪(lang)板和衣(yi)服的(de)(de)降解。(工(gong)業(ye)經(jing)濟(ji)論壇) |
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