材料科學(xué)和工程學(xué)方面面臨的挑戰(zhàn)

▲2011年諾貝爾化學(xué)獎獲得者

以色列工學(xué)院教授Dan Shechtman

DT新材料?留意到，8月11日，2011年諾貝爾化學(xué)獎獲得者、以色列工學(xué)院教授Dan Shechtman出席由厚益控股和《財(cái)經(jīng)》雜志聯(lián)合主辦的世界科技創(chuàng)新論壇，并發(fā)表主題演講。

他坦言到：“在今天的技術(shù)中，最大的一個限制就是材料技術(shù)方面的的缺乏，我們祈禱著在材料學(xué)中也能發(fā)生所謂的革命，而不是漸進(jìn)式的緩慢發(fā)展?！?/p>

現(xiàn)摘錄這位教授的演講精華，以饗讀者。

今天我要講一講材料科學(xué)和工程學(xué)方面面臨的挑戰(zhàn)。如果你想要知道我們現(xiàn)在在材料科學(xué)和工程學(xué)方面需要什么，大家可以到英特網(wǎng)上去看一看，一些大的機(jī)構(gòu)，他們想要去找什么。比如說我們可以去美國國防部的網(wǎng)站，問一下他們現(xiàn)在需要什么，他們會告訴你什么呢？他們想開發(fā)一個結(jié)構(gòu)性的多功能的材料，想要開發(fā)能源材料和發(fā)電材料，還希望能有電子材料和光子材料，功能的有機(jī)的材料。那么這些是他們希望在未來幾年能開發(fā)出來的材料。從今天我的發(fā)言中，我會告訴大家，我們在材料科學(xué)方面取得了什么樣的進(jìn)展。

首先我們看看現(xiàn)在要花多少時(shí)間傳遞信息，以及花多少時(shí)間傳輸人和商品。我剛剛從以色列來，從香港轉(zhuǎn)機(jī)，花很久的時(shí)間才到了北京。但如果發(fā)一條微信信息到我的手機(jī)上，可能只有一秒的時(shí)間。為什么這樣呢？60年前和今天相比，1950年代的時(shí)候，我們要傳輸物品、商品，從北京到巴黎，可能需要一天的時(shí)間通過飛機(jī)，而現(xiàn)在還是一天，沒有發(fā)生什么變化。但如果你的信息想要傳遞，60年前你寄給巴黎一封信，最起碼需要一周的時(shí)間，而現(xiàn)在只有一秒鐘的時(shí)間。

為什么我們現(xiàn)在可以這么快的傳輸信息，而商品的傳遞方面幾乎一百年沒有什么速度上的變化，這就和材料科學(xué)有關(guān)，以及眼界和革命，或者說變革有關(guān)。我們說結(jié)構(gòu)性的金屬，它是一個演進(jìn)，而硅的技術(shù)是一個變革和改革，這個會帶來很大的改變。

我講講材料方面的應(yīng)用，我們需要新的材料才能滿足航空、汽車、生物可降解方面的材料，在這些方面還沒有最優(yōu)的材料，所以我們現(xiàn)在仍然在等待這些新材料的出現(xiàn)，而這是一個不斷演進(jìn)的過程。

同時(shí)有一些材料是等待著新的應(yīng)用，比如CVD鉆石，鉆石是一個非常好的材料，是最好的熱傳導(dǎo)器，是銅的4倍，也是世界上最硬的材料，而且是透明的。它對很多的光譜都是透明的，與此同時(shí)它是非常好的一種材料。幾年之前我們只有天然的鉆石，如果我們有大量的鉆石的話，那么這是一個非常了不起的世界?，F(xiàn)在我們有了技術(shù)可以生產(chǎn)任何規(guī)模任何大小的鉆石，通過CVD生產(chǎn)鉆石，但在這方面的真正應(yīng)用是非常少的。

還有準(zhǔn)周期性材料，這是我的研究，它仍然是有很多很有意思的特點(diǎn)，在尋找這些新的應(yīng)用。當(dāng)然現(xiàn)在鉆石和這些材料都有應(yīng)用，但還不多。我們現(xiàn)在來看看這一方面的應(yīng)用，比如民航，這是1950年代時(shí)候的一個飛機(jī)，差不多是70年前的一個飛機(jī)了，當(dāng)時(shí)是世界上最好的機(jī)型，可以跨越大西洋的飛機(jī)，而現(xiàn)在我們有787的波音飛機(jī)，它做的事情和七十年前一樣，當(dāng)然波音可以做很多其它的功能，但沒有太多速度上的變化。

其實(shí)60年以來，我們可以看到飛機(jī)的引擎在得到改善，那么一方面更加安全，比如每一百萬飛行的事故率改善了90%，所以現(xiàn)在是非常安全的，比開車還要安全。另外相對于重量的推動力改善了350%，現(xiàn)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，現(xiàn)在變的更好了，可以看到飛機(jī)也變的更好了。

飛機(jī)現(xiàn)在可以飛的很遠(yuǎn)很廣，可以飛人飛商品，比如你在中國從任何一個城市可以飛到任何一個城市，每個人都可以飛，而且價(jià)格是比較合理的，每個人都可以做到這一點(diǎn)，所以飛機(jī)的通行現(xiàn)在是合理的價(jià)格，很多人都可以飛，很多的飛機(jī)公司都在競爭獲得客戶。

問題在哪里？首先我們的飛機(jī)速度還不夠快，特別是和以前相比沒有快太多，而且門對門的時(shí)間，其實(shí)和60年前是差不多的，當(dāng)然如果包括安檢時(shí)間的話，這個時(shí)間就會更長。比如你要在起飛前2～3小時(shí)就到機(jī)場，但在以前可能你并不需要提前3個小時(shí)就到達(dá)機(jī)場，所以門對門的時(shí)間并沒有太多的改善，要解決這個問題需要更好的高溫材料，可以進(jìn)入到飛機(jī)的引擎當(dāng)中非常熱的部分，這樣的話飛機(jī)可以飛得更快。

這種材料演進(jìn)的機(jī)會是不錯的，也許我們可以最終通過演進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)，但是這個革命的可能性是非常少的，我們預(yù)計(jì)在這樣一個材料科學(xué)方面不會出現(xiàn)革命性的變革。我們看一下對于新材料的開發(fā)、運(yùn)用與現(xiàn)有的應(yīng)用是非常長的，而且需要花很多的精力，找到正確的合金應(yīng)用是第一步。找到這個材料只是剛剛開始而已，整個流程可能會花很長時(shí)間，而處理一個新的合金是下一步，而且這需要很多的努力，包括智商和財(cái)力，這樣的流程可能會花很多年的時(shí)間。

比如說，鈦化鋁是鈦和鋁的化合物，三鋁化鈦和鋁化鈦，這可能是有用的材料，我也做了很多年前的博士研究，在七十年代的時(shí)候。我當(dāng)時(shí)就研究了這些材料變形的過程，我們?nèi)チ私膺@些材料，也知道它們的組成。

我們從50年代的時(shí)候就知道材料的組成了，我們知道鋁化鈦加上其它一些材料，我們就可以組成一個比較好的材料，我們從50年代的時(shí)候就知道了這一點(diǎn)。但一個引擎公司拿了一個新材料來開發(fā)這種材料，大家想想發(fā)生了什么，要把它放到飛機(jī)的引擎當(dāng)中，整整過了40年的工藝流程。

我們找這個材料很快就找到了，但是它的處理流程、工藝流程花了40年，而這家公司是一家非常強(qiáng)的公司，非常有能力的公司。那么這樣一個產(chǎn)品開發(fā)的過程，就是我所說的汽油車到電車、動車。特斯拉已經(jīng)走到前沿，日本、韓國、德國也在開發(fā)這些車，但到現(xiàn)在為止我們還沒有一個完美的電池，為什么是電池呢？這是福特的T型汽車。

這個車能做的事情現(xiàn)在的車還做不了，因?yàn)楫?dāng)時(shí)路不好，所以福特車在車況非常不好的時(shí)候設(shè)計(jì)的，這個車底盤非常高，路況很不好的時(shí)候可以開。但現(xiàn)在的路況很好，所以我們看特斯拉的車底盤是非常低的，這些車在以前的路上是開不了的，只有T型車才能開。電池這一塊，我就跳過了，直接講一講生物可降解的假體植入。

我們都知道有一些人有心臟的問題，他其實(shí)有很好的解決方案，不需要做開胸手術(shù)，就能解決血管栓塞的問題，可以放一個假體進(jìn)去，短時(shí)間病人就能醒過來，沒有什么傷害。把這個假體放進(jìn)去，撐開，血管栓塞就解決了。但血管會收縮、擴(kuò)張，每一次心動的時(shí)候都會這樣，但支架不會這樣做，所以它可能會有一個慢性的問題，如果你有一個生物可降解的假體就可以解決這個問題。比如血管栓塞解決之后，這個支架就會消失，會降解，不再會有任何的參與，所以不會有慢性病留下來。很多情況下這種假體最好是生物可降解的。

現(xiàn)在使用最好的材料就是不銹鋼，但這種材料現(xiàn)在卻不是生物可降解的，如果使用生物可降解材料的話，除非是使用鎂鋁，但是鎂鋁不好用，因?yàn)槿芙獾乃俣炔粔颍?a href="http://ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">聚合物不好用是因?yàn)閺?qiáng)度不夠，所以現(xiàn)在沒有什么好的解決方案，在支架上仍然尋找更好的材質(zhì)，讓它實(shí)現(xiàn)生物降解性。

下面我們來談一談準(zhǔn)周期材料，準(zhǔn)周期材料有著特殊的特性，比如在導(dǎo)電性、絕緣絕熱方面，低溫下它的導(dǎo)電性會降低，它有很多我們現(xiàn)在具體的材料中的應(yīng)用，下面我想給大家講一個我想要給大家聊一聊的話題。

青銅時(shí)代，大概公元前1200年，人類就發(fā)現(xiàn)了鐵，開始使用鐵。但是鐵和當(dāng)時(shí)的這種青銅相比，強(qiáng)度不夠，所以幾千年以來即使鐵發(fā)明出來了，人們也更愿意使用青銅。直到公元前8世紀(jì)發(fā)現(xiàn)在鐵里面加入少量碳，就會形成鋼，鋼這種材料是非常好的。

直到今天我們在建筑領(lǐng)域大量使用鋼材，過去很多汽車也是使用這種鋼材的，現(xiàn)在很多都是使用塑料材質(zhì)了，但在建筑行業(yè)、在工廠里面，使用很多的材質(zhì)就是鋼?？梢哉f鋼是現(xiàn)在使用的非常重要的一種金屬，還有是合金。一開始鋁發(fā)明出來的成本比制作黃金還要高，但后來找到一種辦法可以從礦石中制作合金，成本大降低，所以鋁大幅度應(yīng)用。

后來NASA想要發(fā)射一個航天器向太陽進(jìn)軍，因?yàn)樘枩囟确浅７浅８?，靠太陽越近溫度越高，如果今天走到室外的話發(fā)現(xiàn)溫度很熱，如果離太陽越近的話這個溫度會越來越高。NASA這個航天器究竟能離太陽多近呢？最高的溫度是1370度，這個溫度已經(jīng)非常高了。但這樣的溫度下如何保證航天器受到保護(hù)不受影響呢？這里面需要使用碳這個合成物，外面有石墨烯的板，這個是目前使用最好的材料，可以絕熱，可以保持內(nèi)部溫度30度左右，保證航天器內(nèi)部正常運(yùn)作，而外面涂成白色來反射輻射而不要吸收輻射。

航天業(yè)的革命是由萊特兄弟發(fā)起的，1903年萊特兄弟試飛第一架飛機(jī)，當(dāng)時(shí)的引擎就是使用鋁，生產(chǎn)鋁的這家公司直到今天仍然非常成功。里面加入80%的銅，但他們當(dāng)時(shí)不知道為什么這么好，當(dāng)然我們現(xiàn)在知道了。當(dāng)時(shí)知道這種鋁銅的合金特別適合做飛機(jī)的引擎，現(xiàn)在很多汽車的引擎也是使用這種合金。

現(xiàn)在可以使用金屬3D打印了，我們叫金屬的增材制造，但是增材制造現(xiàn)在所生產(chǎn)的這個產(chǎn)品還不夠好，速度還不夠快，成本還不夠低。但是我們已經(jīng)看到了這樣一個趨勢，我們現(xiàn)在漸漸的正在經(jīng)歷這種變革，我們已經(jīng)看到了這個隧道盡頭的曙光。

另外一種加工工藝是叫擠出工藝，通過這種擠出工藝你可以生產(chǎn)出更加精細(xì)的金屬材料，讓它獲得更加優(yōu)異的性能。

最后，在今天的技術(shù)中，最大的一個限制就是材料技術(shù)方面的的缺乏，我們祈禱著在材料學(xué)中也能發(fā)生所謂的革命，而不是漸進(jìn)式的緩慢發(fā)展。謝謝大家。