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展望超级材料

时间:2022-11-12 09:45:07 对照材料 来源:网友投稿

材料科学发展到今天,已成为了各项学科、各种方向的综合研究,如仿生、纳米等领域的材料研究,令新材料层出不穷,它们因非同一般的特性而被冠以“超级材料”的美名。笔者就为大家介绍一下,最近表现突出的几项超级材料,它们很可能在未来大放异彩,进入我们的日常生活。

透明的金属

说到材料的透明性,金属似乎沾不上边,因为其显然拥有不透明的物理属性。其实,科学家早在1981年就开始研究一种透明铝,试图让金属也能够拥有光学透明效果。然而直到最近,美国的一个研究机构才宣称他们已经研制成功,所制造的金属铝不仅拥有透明的特性,而且强度很高,耐热耐冲击,可跻身超级材料的行列。

透明铝的主要成分是氮氧化铝,将氮氧化铝粉末倒入橡胶模中成型,利用液压力将它压缩到约10万千帕。当粉末变成颗粒结构,再加热到2000摄氏度,持续数日。熔融的物质并不透明,但经机械抛光后,就出现了光学透明效果。

这种透明铝的强度是熔融石英的4倍、蓝宝石的85%,可耐1200摄氏度的高温。厚度1.6英寸(约合4厘米)的透明铝板可以抵抗12.7毫米子弹的冲击,而在通常情况下,这种子弹可以轻易穿透2倍于此厚度的普通安全玻璃。

目前透明铝价格还非常昂贵,主要用于装甲车辆防弹窗、战场光学设备的透镜等军事用途。

软硬兼备的超薄石墨烯

2010年,英国曼彻斯特大学的两位科学家盖姆教授和诺沃肖罗夫教授首次分离出石墨烯,因此获得了当年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种具有蜂巢形结构的单层碳原子材料,被誉为21世纪最重要的新材料之一。它从被发现的时刻起就备受瞩目,是已知的最坚固材料,强度为钢的200倍,硬度为钻石的数倍。它还能像橡胶一样伸展,导电和导热性能超过铜线,且极薄极轻,300万片石墨烯堆叠在一起,其厚度也不过1毫米。

拥有如此优异的特性,石墨烯的前景不可限量。随着技术的发展,电子产品越来越轻薄,如果石墨烯能够投入使用,那么可以弯曲折叠的手机、可以卷起来的电子报纸和电纸书都将成为现实;电脑芯片将迎来一场革命,电视和电脑会变得像纸一样薄。

目前我们常用的电子触摸屏是用氧化铟锡做成的,这是一种可以导电的透明材料,造价昂贵。这种屏幕受到冲击很容易碎裂,所以我们使用触屏手机时,若不小心摔落,就会造成屏毁机亡的惨剧。如果用基于石墨烯的化合物取代氧化铟锡,电子触摸屏的耐用性可大幅提高,造价大幅降低。韩国研究人员使用石墨烯制造出了25英寸(约合63.5厘米)的可弯曲触摸屏,他们把石墨烯转移到PET薄膜上,在薄膜的适当位置印上银电极,用银电极把它划分为一块块3.1平方英寸(约合20平方厘米)大小的区域,然后在区域内的石墨烯上放上规则排布的绝缘点阵。这样的薄膜两片对应地组装在一起,就做成了触摸屏。

石墨烯还有望在医学领域大展身手,例如纳米石墨烯可用于癌症诊断和治疗,在癌症细胞造影和输送药物等方面,其前景颇为可观。

另外,石墨烯还可用于制造各种物品,如制造轮船、自行车、轮胎……有科学家称,石墨烯是一种万能材料,相当于所有塑料的总和,潜力无穷。但是要投入商业使用的话,还需要更多的时间。

超级吸油薄膜

高分子材料是另一个引人注目的新材料方向。如中国宁波大学陈忠仁教授所发明的一种高分子材料,因其具有超级吸油能力而引起了关注。

这种吸油材料采用仿生学原理,陈教授从干海带吸水膨胀的现象中得到灵感,其结构布满网眼,状如海绵,极有弹性。据称其吸油量、吸油速率都比同类产品高,只吸油不吸水,既可以用于厨房去油污,又可以用于清除海洋石油污染。

目前治理海洋油污的办法主要有两种:一种是利用浮标栅栏,将海面上的油污集中起来,再采取其他手段,将油污吸到船上,这种方法速度慢、效率低;另一种是利用分散剂,将大油污分散成肉眼看不见的小油滴,但这不仅会加剧海洋环境污染,而且会对海洋生物造成更大危害。在研究治理海洋油污问题时,陈教授想起了干海带吸水变大的特性,将它应用到高分子材料的研究中,来研制超级吸油材料。但是到目前为止,这种材料尚未能投入实用,还有待继续研究。

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