工程周活动：聚焦材料科学

首先，我要向大家坦白的是，我并不是一名工程师。大学期间，我攻读的专业是人文学科。尽管我学习过物理和化学课程，并且在大部分职业生涯里，我都在高科技、工程和科学领域工作，但我从未听说过材料科学——直到我加入瑞淀的第一周。自那时起，我开始逐步了解和认识材料科学和工程领域的高度基础性——不仅是在技术行业，而且几乎涵盖现代物理世界的每个方面。

工程师周活动

今年的工程周（Engineers Week）活动举办时间为2022年2月20日至26日。该活动由美国国家专业工程师协会于1951年首次创办。今年的活动主题为“重新构想可能性（Reimagining the Possible）”，旨在聚焦工程师们如何改变世界，并寻求让孩子们参与各种工程和STEM主题与活动。为庆祝此活动，我们将在本篇博客文章中探讨材料科学工程师们带来的重要影响，并重点介绍该领域的一些最新进展。

材料科学是几乎一切领域的基础

宇宙并未将其自身划分成一个个界定清晰的竖井。材料科学领域涵盖广泛的应用范围，从半导体必不可少的晶体结构到钛合金；从纳米技术突破到可持续生物塑料的开发；从 超透镜 到 光色可调的LED，材料科学帮助创造了现代世界。

这个跨学科领域（也称为“材料科学与工程”）结合了化学和物理学的各个方面，专注于新材料（尤其是固体）的设计和发现，其被描述为“将元素周期表用作杂货店，并将物理定律用作食谱”。¹

早在材料科学这一术语诞生之前很久，材料科学最早期的应用示例之一就出现了——大约3500年前的青铜制造。这种由铜和铅组成的新型金属合金比铜更坚固，这使青铜时代的工匠们能够将其锤炼成有用的工具和物品，并帮助推动人类社会的发展。

不同时代的材料科学示例：青铜时代的斧头（左），以及加州大学伯克利分校最近开发的 突破性超薄“渔网”消色差超透镜 （右，比例尺代表5微米）。

信息技术的基础

现代材料科学本质上创造了计算机和消费类电子产品行业，第一步就是通过去除硼、磷、碳等杂质开发出一种超纯形式的硅（现在称为电子级硅）。为了制造集成电路，硅材料中的这些杂质含量必须小于0.1万亿分之一。

1955年至1990 年间，半导体的改进和创新“使电子材料和设备的性能改进和成本降低达到100万倍——这是人类技术史上一项无与伦比的成就”。²从某种角度而言，Applied Materials公司首席技术官Omkaram Nalamasu曾表示，“要在20世纪80年代制造出如今的智能手机，成本将达到约1.1亿美元，每年需要近200千瓦能源（如今每年仅需2千瓦），并且该设备将达到14米高。³  

如今的电信基础设施和系统依赖于“各种晶体半导体；金属化薄膜导体；介电薄膜；焊料；陶瓷和聚合物形成基板，然后在基板上组装或印刷电路；此外还需要金或铜布线和电缆” 。⁴ 许多LED和显示器设备的核心材料为氮化铟镓（InGaN）——一种由氮化镓和氮化铟制成的混合物。当生长成晶体时，InGaN 能够实现发射红外光、可见光和紫外光光谱所需的带隙调谐类型。

蓝光LED，可由氮化铟镓合金制成。

材料科学家们仍在继续设计具有自然界中未发现特性的新型智能材料。举例来说，石墨烯是金刚石或石墨的二维版本，是六角晶格结构中一个原子厚度的碳层。值得注意的是，“按重量计算，其强度是钢材的200倍。由于石墨烯具有独特的特性，在过去的10年里，我们已经能够使用石墨烯制造新型电子产品、超高性能晶体管、新型传感器和新型复合材料”。⁵

实验室内的柔性、透明石墨烯片。

材料科学最新进展

下面给出了一些有关材料科学发挥决定性作用的新兴应用和最新技术进步示例。

比锂电池更安全

锂离子电池用于为大多数电子设备和车辆供电。然而，锂离子电子有两个重大缺点。首先，它们含有一种高度易燃的液体电解质。其次，全球锂供应链可能造成地缘政治紧张。

现在，日内瓦大学的研究人员已开发出一种固体电解质材料，该材料具有电池所需的导电性能。这种材料（碳氢硼酸盐）是由钠制成的，钠是一种比锂更便宜的元素，并且在地球上的任何地方都可以找到大量钠元素。了解更多…

“固体烟”（即气凝胶）

气凝胶是一种类别多样化的多孔材料，是世界上重量最轻的固体，由高达99.98% 的空气组成（按体积计算），具有特殊的特性。举例来说，“透明的超绝缘二氧化硅气凝胶在任何已知固体材料中均表现出最低的热导率。具有超高比表面积的碳气凝胶可为如今的快速充电超级电容器提供动力。超结实、可弯曲的x气凝胶是世界上迄今为止开发出的密度最低的结构材料”。⁶ 气凝胶是干燥材料（不同于普通凝胶），由提取水分后残留的低密度凝胶固体框架组成。

一块二氧化硅气凝胶（图片 来源）。

美国国家航空航天局（NASA）曾在火星探测器上使用硅基气凝胶进行绝缘，该材料现已被用作吸收剂，用于清理化学泄漏物，“而碳气凝胶则用于构建小型电化学双层超级电容器。由于气凝胶具有高比表面积，这种电容器的体积可以比类似额定功率的电解电容器小2,000到5,000倍。相比普通超级电容器，气凝胶超级电容器的阻抗非常低，并且可以吸收/产生非常高的峰值电流”。⁷

折叠显示器

LG Chem（LG Display的关联公司）现已为智能手机、笔记本电脑等可折叠屏幕设备开发出一种新的视窗，称为“真正的折叠视窗”，通过在PET薄膜（一种薄塑料）上应用特殊涂层材料制成，这使其表面跟玻璃一样坚硬，同时又跟塑料一样柔韧。该材料旨在改进折叠屏设备存在的一些问题，比如屏幕铰接部分的折叠印痕或裂缝，此外还增强了屏幕盖板的耐热性及其他机械特性。了解更多…

让不可能变为可能

麻省理工学院（MIT）的工程师们使用一项新颖的聚合工艺制造出了一种比钢材更坚固、比塑料更轻巧的全新材料。该材料很容易大量制造，并有可能为我们周围的景观带来彻底变革。从汽车零部件和手机到桥梁和基础设施，它可以用作所有物体上的轻质、耐久涂层。这种聚合物本质上是一种塑料，可以自组装成二维片材——科学家以前认为这是一种不可能实现的工艺，因此其被称为“不可能制造出的塑料”。了解更多…

“不可能制造出”的二维聚合物薄膜，其强度是钢材的两倍，但重量跟塑料一样轻。（图片来源）

上述示例只是材料科学家和工程师们在全球各地的实验室和研究设施内取得的一些最新进展。我们期待听到更多令人惊奇的新型材料诞生，不仅具有改变医学、技术和工业领域的潜力，还能够帮助我们为整个地球创造更具可持续性的未来。

 

引用文献

1. Diamandis, P., “3 Major Materials Science Breakthroughs—and Why They Matter for the Future,” SingularityHub, May 21, 2020.
2. Materials for computers and communications, Britannica. (Accessed February 16, 2022) 
3. Ibid.
4. Diamandis, P., “3 Major Materials Science Breakthroughs—and Why They Matter for the Future,” SingularityHub, May 21, 2020.
5. Diamandis, P., “Materials Science and Technology Convergence.” Blog post, March 23, 2016. (Accessed February 16, 2022)
6. Aerogel.org. (Accessed February 16, 2022)
7. “Aerogel.” New World Encyclopedia. (Accessed February 16, 2022)